Sự thật về chất Lithium dùng để chế tạo pin xe điện (Phần 1)

[trungthuc]

Ba tác giả John Lương, Trần Cang, và Tôn Thất Di là giáo sư, kỹ sư trong các ngành hóa học, điện tử tại Hoa Kỳ, Ireland, Canada, và Singapore. Ông John Lương hiện sống tại Montreal, Canada; ông Trần Cang tại Colorado; và ông Tôn Thất Di tại Orange County, California. Bài nghiên cứu chung của họ đã được đăng trên mạng lưới diễn đàn khoa học thế giới MDPI tại Thụy Sĩ vào tháng 10 năm 2022, nay được tóm lược và dịch sang tiếng Việt dành cho độc giả Báo Viễn Đông. Tựa đề nguyên thủy của bài viết là "Xe điện và các vấn đề dùng Lithium để chế tạo bình điện". Bên cạnh về chính trị, một trong các vấn đề có liên quan đến Lithium là liệu việc khai thác và sản xuất chất này để làm bình điện, liệu có giúp giảm sự ô nhiễm môi trường của Trái Đất hay không?

Lithium là muối kim loại màu bạc có khả năng chứa đựng rất nhiều năng lượng đã được dùng trong các pin có thể sạc lại bình pin điện "LiBs" (Lithium ion Batteries). Cobalt, Nickel và Manganese là 3 kim loại khác cũng rất cần trong LiBs. LiBs cung cấp 3,000 watts cho mỗi Kg sức nặng và có thể được sạc lại đến 3,000 lần trong môi trường nhiệt độ từ -20.C đến +60.C. Ngoài ra, Neodymium và Dysprosium, 2 kim loại rất hiếm cũng cần cho việc chế tạo động cơ có từ trường của xe điện (EV: Electric Vehicle).

Để sản xuất được LiBs, năng lượng cần thiết phải tốn đến 2 lần nhiều hơn so với xe chạy xăng, đồng thời cũng cần đến rất nhiều điện để dùng sạc lại LiBs sau mỗi lần chạy xe. Như vậy, để được xem xe điện như một "green car" (xe không gây tổn hại cho môi trường Trái Đất) thì xe điện cần phải dùng 100% năng lượng sạch (100% green energy") Sử dụng điện để sạc LiBs không bảo đảm đó là "green energy" vì điện có thể được chế tạo từ than đốt hoặc các nguyên liệu thải ra khí CO2.

Bình điện LiBs trong xe rất nặng và rất to, chiếm đa số trọng lượng và diện tích sàn xe. Vì thế trong tương lai, LiBs cần phải có kích thước nhỏ hơn, nhẹ hơn, thời gian sạc điện nhanh hơn để được lái xe đi xa hơn. Những điều này có thể làm được với các phát minh mới về cực điện (electrode) nhưng vấn đề rất quan trọng là liệu Trái Đất có chứa đủ Lithium dùng trong các bình điện cho xe EV sau năm 2050 hay không?

Tái chế phục hồi LiBs (recycling) và công việc thâu nhập Lithium từ nước biển (ước lượng chừng 2,600 tỷ) tấn Lithium) có thể là giải pháp tốt nhưng kỹ thuật hiện nay có làm được hay không sau năm 2050?

Xe điện không thải ra khí CO2
Xe điện được xem như một phương tiện để chống lại sự biến đổi khí hậu và giảm khí "nhà kính" (greenhouse CO2). Xe điện không xả các loại khí như CO2, NOx, CO, SO2… gây ô nhiễm không khí trong các thành phố lớn, trung bình có 2.3 kg của khí CO2 được thải ra từ một lít xăng của xe hơi. Xe điện xài động cơ nhỏ, không cần bình nước làm nguội máy, không có hộp số, rất ít tiếng ồn của động cơ, và ít cần được bảo trì… so sánh với các xe chạy xăng hay dầu diesel.

Xe điện được các chính phủ trên thế giới ủng hộ sẽ giúp cho khí hậu Trái Đất nguội bớt từ 1.5 C đến 2.0 C, theo như quy ước ký tại Paris 2016, các xe chạy xăng sẽ không còn được sản xuất trong tương lai, các hãng xe General Motors (Mỹ) và Audi (Đức) dự định sẽ không chế tao ra xe chạy xăng hay diesel vào năm 2033-2035 và Anh Quốc cũng sẽ không sản xuất từ năm 2030, các quốc gia khác có thể sẽ đi theo quyết định này.

Một vấn đề quan trọng là xe điện (EV) bị giới hạn phạm vi lái xe trong vòng 150-300 dặm (250-500 km). Trong các loại bình điện xe khác nhau, Lithium-ion được xem là nguyên liệu tốt nhất dù rằng cần phải được tăng thêm phạm vi lái xe và giảm bớt giá cả bán ra. Hiện nay, các quốc gia trên thế giới tranh giành nhau để bảo đảm mua được Lithium "xăng trắng" (white-oil) trên thị trường dùng cho bình điện xe.

Xe điện trở thành "green car" tốt cho Trái Đất khi nào được sạc điện không dùng than đốt hay thải khí CO2

Xe điện cần dùng điện để sạc pin Lithium, và chỉ được xem như "green car" (xe làm sạch môi trường) khi nào dùng điện sạch ("green energy") không xài than đốt hay thải khí CO2 để tạo ra điện, điển hình như xứ Norway bên Âu châu, nơi mà đa số nguồn điện được tạo ra từ các đập nước, sức gió thổi, và sức nóng từ Trái Đất. Xe điện sẽ bị giảm giá trị giúp làm "sạch" cho Trái Đất nếu còn dùng điện được tạo ra từ các lò phát điện đang xài than hay các chất đốt có chứa carbon.

Tại Ấn Độ, 80% các nhà máy phát điện hiện đang dùng than, dầu hay chất sinh khối (biomass). Tại TQ, 52% các nhà máy điện đang dùng than, và 4.5% từ khí đốt thiên nhiên (natural gas). Năm 2020, tại Hoa Kỳ 80% các nhà máy điện dùng khí đốt thiên nhiên (natural gas), nhà máy điện nguyên tử (nuclear energy) và than, 20% còn lại dùng sức nóng Trái Đất và các nguồn thiên nhiên khác. Tại Đức, sự giảm khí thải CO2 bằng cách dùng xe điện đã không thành công. Năm 2020, Đức dùng điện phát ra từ gió thổi (27%), từ nhà máy điện nguyên tử (12%), từ solar cell (10%), từ chất sinh khối (9.3% biomass), từ các đập nước nhưng vẫn còn dùng đến nguồn than (24%).

Thủy điện tại thành phố Quebec, Canada, rất trong sạch trong môi trường, chỉ thải ra 34.5 g khí CO2/kWh [1], so sánh với mực độ trung bình 417 g khí CO2/kWh được thải ra tại Hoa Kỳ [2]. Một EV dùng 20 kWh/100 Km (xe điện dùng từ 15 đến 30 kWh để đi 100 Km [3]), sẽ thải ra 34.5 x 20/100 = 6.9 g khí CO2 tại Canada, và 83.4 g CO2 tại US.

Các chất khí thải từ xe điện và xe dùng xăng tại Europe (2015) sau khi chạy 150,000 Km

So sánh sự phế thải khí CO2 giữa xe dùng xăng (ICEV) và điện (BEV)


Cần dùng một nguồn năng lượng để tạo ra một nguồn năng lượng khác

Lithium và các kim loại khác được đào ra từ các quặng mỏ, lọc sạch đất, và phải được rất tinh khiết để dùng làm pin xe. Sự sản xuất loại pin xe Lithium làm tăng lên sự ô nhiễm không khí vì phải dùng độ nóng từ 800 độ C đến 1000 độ C, điện từ các nhà máy phát điện bằng than hay dầu đã được dùng trong việc chế biến Lithium để giảm bớt chi phí.

Sự kiện này lại làm tăng lên việc làm ô nhiễm thêm cho môi trường vì phải dùng các chất có carbon, thải ra khí CO2 rất nhiều trong quá trình sản xuất và thường được gọi là "CO2 footprint" tùy thuộc vào nguồn điện đã sử dụng.

Cách sản xuất ra một bình pin 75 kWh do công ty pin của Tesla tại tiểu bang Nevada xả ra 4,500 kg (4.5 tấn) CO2, và 9,000 kg (9.0 tấn) CO2 nếu được sản xuất tại Á Châu. Để tiện so sánh, trung bình để sản xuất một xe chạy xăng hay diesel sẽ thải ra khoảng 7 đến 10 tấn CO2. Như vậy, nếu tính thêm nguồn năng lượng cần cho việc sản xuất xe Tesla cộng thêm năng lượng làm ra pin Lithium, hai loại xe chạy xăng và pin đều phải tốn nguồn điện năng giống nhau.

Một xe điện với phạm vi lái 300 dặm (500 km) trước khi cần sạc, sẽ dùng bình điện ít nhất là 60 kWh. Khoảng 150 kg khí CO2 sẽ được thải ra cho 1 kWh của pin Lithium, trung bình độ 6 tấn (6,000 kg) khí CO2 dùng để chế tạo pin Lithium, và tổng cộng sẽ vào khoảng 16-19 tấn CO2 sẽ bị thải ra trong việc sản xuất một xe điện.

Các xưởng chế tạo pin xe điện hiện đang thải ra tương đương từ 61 kg đến 106 kg khí CO2 cho mỗi kWh, có khi lên đến 146 kg. Chỉ khi nào pin xe điện được làm bằng các nguyên liệu "sạch" không có chất carbon mới đạt đến con số 61 kg. [4]

Nguồn cung cấp Lithium và các kim loại khác đều có giới hạn

Giống như dầu thô, Lithium không tái sử dụng lại được, và ước đoán có khoảng 14 triệu tấn chứa trong đất và 230 triệu tấn Lithium trong nước biển. Có vài khảo cứu cho rằng Lithium có nhiều hơn trong đất, vào độ từ 22 đến 80 triệu tấn. Lithium tan trong nước biển mặn, nhưng đá và đất sét cũng có Lithium trong trạng thái khoáng sản. Có ba môi trường chứa nhiều Lithium: muối đóng đá, muối trong nước biển nóng và đá có chứa khoáng sản: spodumene. Muối đóng đá chiếm độ 83% có mặt tại vùng Nam Mỹ, TQ, và Hoa Kỳ, đá có chứa khoáng sản này là 17% tại Úc châu.

Các công nhân đang thanh tra một mỏ khai thác Lithium ngày 11 tháng Giêng, 2022 tại Goromonzi, Zimbabwe, Phi Châu. Một công ty TQ đã gạ mua Lithium từ Zimbabwe với giá hơn 400 triệu USD để chế tạo pin điện. (Tafadzwa Ufumeli/ Getty Images)

Phần lớn nguồn điện năng dùng để tìm kiếm và thanh lọc Lithium đều thải ra khí CO2 vì dựa vào các nhiên liệu hoá thạch như than đá. Đa số các mỏ đào Lithium, các kim loại (Cobalt, Nickel…) đều dựa vào sức lao động con người và cần rất nhiều nước. Lithium lấy từ nước biển mặn tốn rất nhiều thời gian từ nhiều tháng đến nhiều năm và rất ít công ty có kỹ thuật tốt để làm ra Lithium tinh khiết nguyên chất. Cách ít tốn kém nhất là dựa vào năng lượng Mặt trời, nhưng phải tùy thuộc vào địa thế khai thác nên phẩm chất Lithium cũng có thay đổi nhiều.

Lithium lấy từ đá có chứa khoáng sảnspodumene cần phải xay ra đá vụn, nung nóng lên rồi dùng acid để tẩy. Giống như những mỏ đào các kim loại khác, môi trường sẽ bị thiệt hại nặng nề cho đất, không khí, nước bị nhiễm độc, và nguồn nước có thể bị khô cạn. Cần đến 20,000,000 lít nước (500,000 gallons) để trích ra 1 tấn Lithium từ loại đá này.

Dùng Lithium để chế tạo pin cho xe điện sẽ làm thiệt hại rất nhiều cho môi trường thiên nhiên, tạo ra sự hâm nóng cho Trái Đất và làm khô cạn nguồn nước. Mỏ đào Lithium tại vùng Jadar xứ Serbia có lẽ là lớn nhất thế giới, nhưng mỏ này đã luôn luôn là một mối lo ngại lớn lao cho các chuyên gia về môi sinh môi trường.

(Xem tiếp Phần 2)