Hiện tại và tương lai tái chế Pin EV (xe điện)

Ngày nay, trên mỗi chiếc xe điện hiện đại chạy trên đường, trong bộ pin của chúng đều có một thứ vật liệu vô cùng quý giá và độc hại, và phần lớn những vật liệu đó chỉ có thể được lấy từ những nơi không thân thiện.

Nếu pin không được tái chế đúng cách, chúng còn làm cho vấn đề trở nên tồi tệ hơn và gây ra tác hại khủng khiếp cho môi trường. Nhưng đừng lo, vì điều đó sẽ không xảy ra đâu. Bởi vì những vật liệu đó có giá trị quá lớn để bị vứt bỏ vào bãi rác.

Khi một chiếc xe điện hết đời, nhiều thành phần của pin nhét trong bụng nó vẫn có giá trị như khi mới. Ngày nay, chúng ta đã có thể tái chế pin ion-lithium. Việc tái chế pin EV theo bản chất cũng chỉ là một bước ngoặt mới trong các kỹ thuật lâu đời để chiết xuất các vật liệu có giá trị từ những sản phẩm thải ra. Tuy nhiên, tính chất và độ hiếm của vật liệu đòi hỏi các công nghệ và phương pháp tiếp cận mới, đồng thời nhu cầu sớm triển khai những công nghệ và phương pháp đó ngày càng trở nên cấp thiết hơn do làn sóng xe điện đang lớn dần.

Và nội dung này chia sẻ những tiến bộ trong tái chế pin EV, đảm bảo rằng các phương tiện điện ngày nay không chỉ giúp ích cho môi trường khi chúng lưu thông trên đường mà còn tiếp tục được sử dụng lâu dài sau đó.

Viên pin

Viên Pin là đơn vị chức năng nhỏ nhất bên trong gói tổng thể cung cấp năng lượng cho ô tô điện. Bản thân mỗi ô là một cục pin có chứa cực dương (cực âm) và cực âm (cực dương). Hai đơn vị này được ngăn cách bởi một chất điện phân tạo điều kiện thuận lợi cho dòng ion. Do đó đây là một loại pin chức năng.

Mặc dù tất cả các loại pin EV đều có chung kiến ​​trúc cơ bản, nhưng cấu trúc viên pin có thể rất khác nhau. Các loại phổ biến nhất là hình trụ, dạng túi và hình lăng trụ. 

Các viên pin hình trụ, chẳng hạn như loại 18650 hoặc 2170 được Tesla sử dụng trong hầu hết các ô tô của hãng, cuộn cực dương và cực âm trong một ống có dải phân cách ở giữa. Kết quả trông giống như pin AA được giấu bên trong điều khiển từ xa của tivi.

Các viên pin hình lăng trụ cung cấp khái niệm phân lớp cực dương và cực âm giống nhau, nhưng được xếp chồng lên nhau trong một vỏ bọc hình chữ nhật cứng. Khoảng cách nhỏ hơn giữa các ô riêng lẻ và mật độ năng lượng lớn hơn trong gói tổng thể.

Cuối cùng là các viên pin dạng túi, có bố cục tương tự như các tế bào hình lăng trụ nhưng được bao bọc trong một túi mỏng, mềm, làm giảm trọng lượng và thể tích của chúng.

Các mô-đun Pin

Bộ pin EV trung bình chứa hàng trăm hoặc hàng nghìn ô. Việc này giúp theo dõi tình trạng từng phần cá biệt tốt hơn, cho phép sửa chữa ở một mức độ nào đó so với bộ pin tổng thể, các viên pin đó thường được nhóm thành các mô-đun.

Một mô-đun chỉ đơn giản là một tập hợp các ô được tập hợp lại với nhau, hoạt động hiệu quả như một ô lớn hơn. Các thiết bị điện tử giám sát bộ pin của EV cũng theo dõi hiệu suất và nhiệt độ của từng mô-đun, vì vậy nếu một mô-đun ngừng sạc hoặc quá nóng, máy tính của ô tô có thể gây ra lỗi hoặc thậm chí tắt mọi thứ trước khi bất kỳ điều gì xảy ra.

Bộ Pin

Bộ pin của EV thường được đặt dưới sàn, là thứ cung cấp năng lượng cho ô tô. Một bộ pin chỉ đơn giản là một tập hợp các ô hoặc mô-đun, tất cả được bọc lại với nhau với các thanh điêu chuyển năng lượng đến và đi. Các kênh làm mát cũng được bố trí đến các mô-đun hoặc ô riêng lẻ.

Điểm quan trọng trong hệ thống phân cấp này là chỉ cần một ô riêng lẻ bị hỏng, thì có thể dẫn đến việc cần phải thay thế toàn bộ mô-đun. Trong một số trường hợp, toàn bộ bộ pin phải được thay thế.

Điển hình như thiết kế Tesla 4680 được sử dụng trong các Model Y. Bộ này thiếu thiết kế mô-đun, thay vào đó, nó có hàng trăm ô được dán lại với nhau. Nếu bất kỳ ô tích hợp nào cần thay thế, toàn bộ gói phải được gỡ bỏ và tái chế.

Tái chế so với tân trang

Từ loại pin nhỏ như trong điện thoại cho đến pin lớn như pin EV thì không khác nhau về khả năng sạc. Redwood Materials là một start-up có thể xử lý cả hai loại đó và nhiều loại khác nữa, công ty được thành lập vào năm 2016 bởi JB Straubel, cựu CTO của Tesla, là một trong những công ty tái chế pin hàng đầu hiện nay. Cho đến nay, Redwood đã hình thành quan hệ đối tác với những công ty như Panasonic, Ford và Volvo.

Jackson Switzer, Phó chủ tịch phát triển kinh doanh của Redwood cho biết: “Pin mọi thể loại, từ phế liệu sản xuất từ ​​quá trình sản xuất pin đến pin EV cho đến bàn chải đánh răng điện. Chúng tôi biến tất cả những thứ đó trở lại thành vật liệu pin."

Biến pin trở lại thành nguyên liệu thô có nghĩa là xé nó ra theo cách thủ công và nghiền nhỏ thành các thành phần cấu thành của nó, một trong số đó có một thuật ngữ đáng ngại: "black mass".

Black mass là gì? Brian Skalovsky, giám đốc tái chế pin tại Cox Automotive Mobility EV Battery Solutions, công ty xử lý tất cả các giai đoạn hậu cần vòng đời pin EV, bao gồm cả tái chế, cho biết: “Đó là sự kết hợp giữa niken, mangan và coban hoặc NMC. "Đó là một loại pin hóa học. Ngoài ra còn có một ít carbon, một ít nhôm, một ít đồng." Những nguyên tố có giá trị đó có thể được chiết xuất, tái xử lý và sử dụng trong các loại pin mới.

Càng ngày, việc sửa chữa và tái sử dụng bộ pin EV thu hồi ngày càng lớn hơn. Skalovsky cho biết: “Về cơ bản, chúng tôi kiểm tra ban đầu trên pin, cắm vào và nối pin và nhận chẩn đoán tổng thể để xem liệu nó có bị khoảng 10 hoặc 15 thứ khác nhau hay không. Bạn biết đấy, chúng tôi không thực hiện bất kỳ phân loại nào ở cấp độ viên pin vì nó quá nhỏ. Nếu một mô-đun không tốt, nó sẽ rất tệ."

Các mô-đun vượt qua kiểm tra có thể được tái sản xuất, tương tự như cách các bộ phận phức tạp như thanh lái, máy bơm và hộp số thường được lấy ra và tái sử dụng. Trong tương lai, điều này rất giá trị đối với các OEM xử lý sửa chữa bảo hành EV.

"Nếu bạn xuất hiện với một chiếc EV ba hoặc bốn năm tuổi, điều cuối cùng mà một OEM muốn làm là phải lắp một bộ pin mới vào xe, đúng không?" Redwood's Switzer nói. "Họ muốn tăng doanh thu. Mọi người luôn nói về việc pin sắp hết tuổi thọ để có thể lưu trữ cố định, nhưng quan điểm của chúng tôi là: Ứng dụng tốt nhất cho gói EV đã quay trở lại trong EV. "

Switzer ước tính rằng việc tái sản xuất một bộ pin EV chỉ sử dụng 30% tổng công sức cần thiết để xé hoàn toàn bộ pin đó thành nguyên liệu thô và tái tạo lại. Điều đó cũng có nghĩa là một khoản tiết kiệm chi phí tương đương.

Tiêu chuẩn hóa xây dựng pin Standardizing Battery Construction

Một phương pháp chính thống để tăng cường tái sử dụng mô-đun sẽ là tiêu chuẩn tuyệt vời. Mặc dù trong ngành có một số tiêu chuẩn, nhưng nhìn chung, mỗi nhà sản xuất đều dựa vào cấu trúc bao bì của riêng mình và thường là hóa chất tùy chỉnh trong các viên pin riêng lẻ. Nhưng theo Skalovsky của Cox Automotive, điều đó có thể đang thay đổi.

Ông so sánh pin ngày nay với các thành phần phức tạp, qua nhiều năm, đã phần lớn phát triển thành các thiết kế được tiêu chuẩn hóa. Những thứ như bộ truyền động: "Khi bạn nhìn thấy một bộ truyền động, nó trông giống như bất kỳ bộ truyền động nào khác," ông nói. "Tôi nghĩ rằng có lẽ trong 8 đến 10 năm nữa, việc sản xuất bộ pin sẽ được hoàn thiện đến mức chúng ta có thể tìm thấy một thiết kế và hình thức, sự phù hợp và hóa học thống nhất."

Skalovsky nói, điều này sẽ không chỉ tăng hiệu quả của việc tái sử dụng và tái chế mà còn cả quá trình sản xuất: "Nếu chúng tôi có một hóa chất đồng nhất, chúng tôi có thể chạy cùng một loại pin cả ngày. Và, từ quan điểm về khả năng sử dụng, bạn có thể có thể phục vụ họ gần hơn ở cấp độ đại lý."

Tuy nhiên, Switzer cho biết với Redwood, hiện tại tiêu chuẩn hóa không phải là trọng tâm: "Mục tiêu tổng thể của chúng tôi là đưa ra thị trường càng nhiều phương tiện điện khí hóa càng tốt và tôi nghĩ rằng trọng tâm của nhà sản xuất là giao một chiếc xe mà khách hàng muốn, về hiệu suất, phạm vi hoạt động. Rất khó để thiết kế để tái chế ngay bây giờ, đặc biệt là để thử và liên kết với các nhà sản xuất khác."

Tối ưu hóa quy trình với AI và Máy học (Machine Learning)

Với nhiều loại pin được tái chế ở Redwood, mọi thứ từ các bộ pin EV đầy đủ cho đến các viên pin cúc áo nhỏ cung cấp năng lượng cho thiết bị theo dõi áp suất lốp, chỉ tính việc phân loại và tách chúng ra là một quy trình cực kỳ thủ công, nhưng may thay, chúng đang được tự động hóa.

Switzer cho biết: "Chúng tôi nhận phế liệu sản xuất từ ​​các công ty như Panasonic, đó là các viên pin phế liệu của họ". "Chúng tôi có robot dỡ các khay, xếp chồng các khay và sau đó chuyển các viên pin trực tiếp vào để tái chế. Vì vậy, thực sự không có sự tương tác thực sự của con người ở đó."

Tuy nhiên, khi nói đến pin ngẫu nhiên từ các nguồn ngẫu nhiên, việc xác định các loại viên pin phần lớn được thực hiện thủ công. "Điều đó không mở rộng quy mô tốt lắm," Switzer nói, "vì vậy, có thể nói là chúng tôi đã đầu tư khá nhiều vào các công nghệ phân loại sử dụng nhiều công nghệ cảm biến."

Những cảm biến đó giúp đào tạo các hệ thống của Redwood trong một quy trình gọi là máy học, một khối xây dựng cơ bản nhưng nền tảng cho trí tuệ nhân tạo, dựa trên đó sẽ xác định pin theo cấu tạo và hóa học. "Nó càng thông minh hơn khi càng có nhiều pin hơn, và chúng tôi đã thấy, nó thành công ngoài sức tưởng tượng."

Thành phần rắn và hóa chất tương lai

Bạn có thể đã biết rằng các công nghệ như pin thể rắn sẵn sàng cách mạng hóa phạm vi hoạt động và hiệu suất của ô tô điện. Skalovsky của Cox Automotive cho biết: “Các OEM này đã mua mọi thứ họ cần để sản xuất pin trong 10 đến 12 năm tới".

Khi những bộ pin này được tung ra thị trường, chúng cũng sẽ cần được tái chế. "Bạn biết đấy, về cơ bản đó là chất hóa học khác nhau, nhưng nó không phải là một thứ biến đổi nào đó sẽ không hoạt động trong quá trình," Switzer nói. "Chúng tôi đã và đang làm việc với một vài công ty chuyên chất rắn" Switzer nói thêm rằng những công ty khởi nghiệp này đang sử dụng rất nhiều nguyên liệu thô và tạo ra rất nhiều phế liệu khi họ tìm ra công nghệ mới này.

Ông nói: “Lợi ích của việc chúng tôi làm việc với họ bây giờ là nó giúp chúng tôi thực hành. "Về cơ bản, nó cho chúng tôi biết sơ bộ về chất hóa học đó có thể trông như thế nào. Và từ những gì chúng tôi thấy, chúng tôi không lo ngại gì cả."

Nguồn cung và quy mô

Đạo luật giảm lạm phát đã tạo ra động lực mạnh mẽ cho sản xuất pin tại Mỹ. Điều đó đã tạo ra sự đầu tư lớn trong toàn ngành. Bản thân Redwood có kế hoạch chi 3,5 tỷ đô la để xây dựng một nhà máy sản xuất linh kiện và tái chế pin mới ở Charleston, Nam Carolina.

Sản xuất nhiều hơn sẽ có nghĩa là cần nhiều nguyên liệu thô hơn.

Switzer nói: "Tái chế có lẽ là điều hợp lý nhất để theo đuổi về mặt tài nguyên. Bạn biết đấy, nó rõ ràng không cần hàng thập kỷ cho phép. Quá trình xây dựng một cơ sở tái chế nhanh hơn nhiều so với xây dựng một cơ sở khai thác thông thường"

Đối với các vật liệu có khối lượng lớn, như niken, Switzer hy vọng việc tái chế cuối cùng có thể đáp ứng tới 30% nhu cầu. Tuy nhiên, nguồn cung cobalt trong nước có thể cao hơn đáng kể. Cobalt thực sự được sử dụng ít trong pin hiện đại so với pin cũ, nhiều loại trong số đó hiện đang được tái chế. Ông nói: “Chúng tôi đang sử dụng vật liệu có hàm lượng cobalt cao hơn nhiều so với mức chúng tôi cần sản xuất, vì vậy chúng tôi có thể tiết kiệm số lượng đó cho một số lượng lớn xe điện hơn.

Skalovsky của Cox Automotive tin rằng thậm chí có thể thu hẹp khoảng cách trên các vật liệu khác, tương tự như những gì đã làm trong quá khứ. Ông nói: “Bảy mươi năm trước, đối với pin axit chì, chúng tôi phải nhập khẩu chì đó để vận hành những thứ đó. "Tại một thời điểm nào đó, việc tái chế đã đủ mạnh để chúng ta có thể đưa nó vào một nền kinh tế tuần hoàn. Và bây giờ chúng ta không cần phải đi khai thác một đống chì nữa. Tôi nhìn nó giống như vậy với niken và coban . Chúng ta đạt được điểm đó càng nhanh thì việc chế tạo pin càng dễ dàng."

Và pin càng dễ tái chế thì chúng càng rẻ và thân thiện với môi trường hơn.

Theo MotorTrend