Sự thật về chất Lithium dùng để chế tạo pin xe điện (Phần 2)

[trungthuc]

Ngoài Lithium, các kim loại khác cần thiết trong việc chế tạo pin xe điện, tùy thuộc vào kỹ thuật pin của các hãng khác nhau. Thông thường, một bình điện Lithium trong xe cần vào khoảng 14 kg Cobalt (Co). Hơn 70% kim loại này trên thế giới được đào lên từ các mỏ tại xứ Cộng Hòa Dân Chủ Congo ở Phi Châu, kế đến là từ Nga. Các khoa học gia đã tìm thấy sự liên quan từ mỏ đào Cobalt đến nhiều trường hợp bẩm sinh bất thường tại Congo.

Theo sự khảo cứu của Cơ Quan Năng Lượng Quốc Tế (International Energy Agency), để đạt được mục tiêu của năm 2050 trong việc không tạo thêm khí CO2 (Net-Zero), chúng ta cần hơn 2 tỷ các loại xe điện. Một bình pin cho xe điện cần 14 kg chất kim loại Cobalt, toàn thế giới được ước tính có độ 7,1 triệu tấn, như vậy chỉ đủ chất Cobalt cho 528 triệu xe điện.

TQ hiện đang có 80,000 tấn dự trữ, vì thế quốc gia này rất thận trọng cố gắng tránh xài Cobalt trong pin xe điện. Trên nguyên tắc, Cobalt có thể được thay thế bằng các kim loại khác cho cực điện trong pin Lithium. Một nửa xe Tesla mới đã dùng pin điện "Cobalt-free ion phosphate" gọi là pin LFP, do không xài Cobalt và Nickel, pin LFP tốn ít tiền hơn nhưng vì tạo được ít năng lượng hơn nên phạm vi lái xe sẽ bị giới hạn.

Chất Lithium có trong nước biển rất ít (0.1-0.2 ppm hay là 0.0001%) do đó việc thâu gom chất này rất tốn kém với kỹ thuật khoa học ngày nay. Dựa theo sự tăng gia việc sản xuất xe điện gần đây, chúng ta sẽ không còn chất Lithium vào năm 2080, tương tự như các dự đoán về con số dầu thô đang có trong nguồn dự trữ trên Trái Đất. Cobalt và Nickel là hai kim loại cần thiết cho việc sản xuất pin Lithium, đồng thời các kim loại rất hiếm có như Neodymium, Samarium và Dysprosium cũng cần thiết cho động cơ điện trong EV.

Một vài vấn đề lo ngại đến môi trường

Việc sản xuất những kim loại nêu trên sẽ gây ô nhiễm đất, làm cho nguồn bị thiếu hụt, phá hoại đến môi trường và có thể làm Trái Đất sẽ nóng thêm lên. Tăng nhanh việc chế tạo ra chất Lithium sẽ gây ra nhiều sự lo ngại cho môi trường trong kỹ nghệ làm xe điện. Cặn bã phế thải từ những mỏ khai quang Cobalt, các kim loại thông thường cùng với những kim loại hiếm sẽ làm nhiễm độc không khí, thức ăn, nước dùng, phá hủy lúa gạo và có hại đến sức khoẻ của con người.

Tại nước Cộng Hoà Dân Chủ Congo, dân chúng bị mất đất trồng trọt, mất nhà và thường phải đi xa qua xứ Zambia để mua thức ăn. Những mỏ Cobalt đã gây ra nhiều vụ chà đạp nhân quyền, tham nhũng, lạm dụng sức lao động của 40,000 trẻ em, và thiếu sự an toàn nên thường xảy ra nhiều tai nạn khủng khiếp. Một cuộc thưa kiện tại Congo đã nhắm vào các công ty Apple, Google, Dell, Microsoft và Tesla vì đã gây chết hay gây ra thương tích trầm trọng cho các trẻ em bị bắt phải làm việc trong các hầm mỏ. Giống như các loại kim loại nặng khác, Cobalt rất độc hại và cần phải rất thận trọng trong việc khai thác.

Ngoài ra, nếu quặng mỏ không được xây dựng an toàn sẽ đưa đến sự sụp đổ, gây ra nhiều sự thương tích hay thiệt mạng cho công nhân. Hiện nay tại Bồ Đào Nha đang có một vụ thưa kiện có liên quan đến công ty Savannah Resources có trụ sở tại London, Anh quốc về vấn đề "khai thác đất đai bất hợp lệ".

Khai thác Lithium trong những xứ nhược tiểu kém mở mang cũng có rất nhiều vấn đề lớn khác. Tại miền nam Phi châu, Lithium được lọc ra từ muối đóng đá làm ô nhiễm các hồ chứa nước và dân chúng địa phương có thể đang bị nhiễm độc vì phải sử dụng nguồn nước này. Tất cả các vùng chung quanh quặng mỏ phải được khai quang, vì thế cây cần phải đốn chặt làm tiêu diệt sự sống dựa vào cây cỏ. Công việc này cần dùng đến các máy đốn cây phá rừng làm đường và các xe vận tải to lớn sử dụng rất nhiều nhiên liệu, thải ra nhiều khí độc và CO2. Năng lượng cần cho sự chế tạo Lithium lại chính là những năng lượng đã gây ra sự ô nhiễm lớn cho môi trường, thải ra khí CO2.

Với việc khai thác Lithium từ đá, 15 tấn CO2 được thải ra cộng thêm với các phế thải nguyên liệu sạch: 2,000,000 lít nước cần đến cho việc lọc ra 1 tấn Lithium. Sự thiếu nguồn nước trầm trọng có thể xảy ra cho việc canh nông trồng trọt trong những miền núi khô khan có đá chứa Lithium. Vì thế, những xứ có quan tâm đến sự ô nhiễm môi trường thường không cho phép khai thác các quặng mỏ này.

Các vấn đề chính trị có liên quan đến chất Lithium
Hiện nay Trái Đất được xác định chứa 15 triệu tấn Lithium tại bốn quốc gia: Chile, Úc, Argentina và TQ. Theo như sự ước đoán của Cơ Quan Nghiên Cứu Địa Chất Hoa Kỳ vào năm 2019, toàn thế giới có thể chứa đến 80 triệu tấn Lithium (80,000,000 kg) nhưng chỉ có vài vùng có thể khai thác sản xuất được. Để chi phí sản xuất được hợp lý, chất Lithium có trong môi trường phải đạt đến một mức độ tối thiểu. Thêm một sự khó khăn là chất Magnesium (Mg) hiện diện chung với Lithium trong muối đóng đá cần phải được loại bỏ để có được Lithium nguyên chất dùng trong bình điện. Vì thế, Lithium có trong Biển Chết (Dead Sea) tại Israel không thể khai thác được, nhưng tại vùng hồ nước mặn Zabuye của TQ gần như nguyên chất, không có nhiều Magnesium, rất tiện lợi cho việc khai thác Lithium. Hồ này có chứa 1.84 triệu tấn Lithium, được gọi tên Zabuye vì có khoáng chất thiên nhiên Zabuyelite, Lithium carbonate (Li2CO3), một trường hợp đặc biệt gần như không chứa Magnesium trong thiên nhiên.

Hiện nay, vùng núi Salar de Atacama giữa Bolivia và Chile tại Nam Mỹ được xem như là nơi có chứa đựng nhiều Lithium nhất trên thế giới với 32 triệu tấn.

Nhiều xe điện trên thế giới hiện đang dùng các kim loại có từ trường (magnesium –rare earth elements) để chế tạo ra máy xe: Neodymium và Dysprosium. TQ là nơi duy nhất sản xuất được hai kim loại này. Hầu hết tất cả xe điện tại TQ đang xài kim loại từ trường cho máy, nhưng với những quốc gia khác trên thế giới, nhập cảng kim loại từ trường từ TQ là một vấn đề khó khăn và tế nhị về nhiều mặt, kinh tế và chính trị.

Khoảng 55% Lithium trên thế giới đến từ Úc, 23% từ Chile, 10% từ TQ và 8% từ Argentina. Năm 2021, Úc đứng đầu thế giới về việc sản xuất Lithium vào khoảng 55,000 tấn, tiếp theo là Chile vào khoảng 26,000 tấn và TQ với 14,000 tấn.

Việc sản xuất xe điện tại Âu Châu hoàn toàn lệ thuộc vào việc nhập cảng chất Lithium. Ủy Ban Âu Châu (the European Commission) mong muốn thành lập kỹ nghệ sản xuất Lithium để giảm bớt sự lệ thuộc vào ngoại quốc. Hiện nay, Âu Châu không có đủ phương tiện để có được Lithium và các xưởng chế tạo pin xe điện. Năm 2021, TQ đã sản xuất 79% cho tất cả các Lithium-ion pin xe điện trên thế giới, và giá bán thay đổi rất nhanh, từ 6,000 USD/tấn cho năm 2000 lên đến 78,032 USD/tấn cho năm 2022.

Hi vọng trong tương lai gần đây, năm 2030 các quốc gia khác trên thế giới sẽ sản xuất được hơn 2.7 triệu tấn LCE (lithium carbonate equivalent). Nếu một EV cần từ 8 kg đến 12 kg, sự ước đoán 14 triệu tấn dự trữ Lithium có thể đủ cho 1.17 triệu đến 1.75 tỷ xe điện.

Ngoại trừ nước Úc, đáng tiếc rằng đa số các quốc gia trên thế giới có thể sản xuất được các khoáng sản hay kim loại dùng cho pin xe điện thường hay bị nhiều xáo trộn về chính trị hay kinh tế. Hiện nay Úc đang hợp tác chặt chẻ với Hoa Kỳ và Âu Châu trong việc cung cấp các nguồn nhiên liệu quý này. Có thể vì thế mà công ty Tesla của Mỹ đang gia tăng sản xuất xe điện tại Texas và tại Thượng Hải, TQ trong khi không hợp tác với xứ Afghanistan nơi có nhiều quặng mỏ Lithium chứa trong đá, Cobalt, các kim loại hiếm, và nhất là tại xứ Congo nghèo khó, do tình trạng chính trị ở những nơi này rất bấp bênh.

TQ có Lithium, với rất nhiều các kim loại hiếm, đồng thời Nga cũng có rất nhiều Nickel, Manganese, Iron và các kim loại cần thiết khác. Mỹ, Nga và TQ đang có 29.79 triệu tấn Lithium chưa được khai thác. Theo tin tức mới nhất, con số dự đoán cho Lithium chưa được khai thác được tăng lên đến 54.1 triệu tấn từ muối đóng đá (21.3 đến 65.3 triệu tấn) và từ đá (12.8 đến 30.7 triệu tấn).

Theo tin của báo New York Times ngày 31 tháng 3, 2022, Tổng Thống Joe Biden đã dùng đạo luật "Tăng Cường Sản Xuất Quốc Phòng" (Defense Production Act), đã được ban hành từ năm 1950, để cố gắng tăng gia sản xuất các kim loại hiếm dùng cho xe điện. Tái sử dụng các vật liệu trong xe điện sẽ rất quan trọng trong việc làm giảm bớt nhu cầu đòi hỏi Lithium và các vật liệu cũng đang cần cho các công việc khác.

Việc nghiên cứu Lithium rất cần thiết với hi vọng pin xe sẽ không bị phế thải, đồng thời việc chuyên chở các pin xe rất nặng đến những nơi tái chế cũng sẽ rất tốn kém.

Năm 2019, tại Úc chỉ có từ 2% đến 3% LiB đã qua sử dụng được chở ra ngoại quốc để được tái chế, và ít hơn 5% tại Âu châu. Tái sử dụng pin xe điện rất ít vì có nhiều lý do: kỹ thuật chưa làm được, địa thế không thuận tiện, kinh tế khó khăn hay sự khác biệt về luật pháp giữa các quốc gia.

Vì các kỹ nghệ và các vị nguyên thủ quốc gia trên thế giới đang xúc tiến việc không tạo thêm khí CO2 với hi vọng không làm tăng thêm không khí bị nóng lên của Trái Đất, kỹ nghệ xe hơi bị bắt buộc phải chế tạo và sản xuất xe dùng pin điện thay thế cho xe chạy xăng dầu.

Rất tiếc rằng, cho đến nay sự hiểu biết và kỹ thuật áp dụng vào xe EV chưa được nghiên cứu chính xác và rõ ràng hơn. Theo thông tin của Cơ Quan Năng Lượng Quốc Tế, chúng ta sẽ cần tối thiểu 1 triệu tấn Lithium, tương đương với tất cả số Lithium của TQ đang có hiện nay để sản xuất 125 triệu xe EV cho toàn thế giới cho đến năm 2030.

Một vấn đề khác cần có giải pháp có liên quan đến sự gây ra ô nhiễm môi trường của các kim loại hiếm, trong đó có sự hiện diện của chất phóng xạ như Thorium. Để gạn lọc ra được các kim loại hiếm này lại cần đến việc sử dụng những hóa chất độc hại như Sulfate, Ammonia, và Hydrochloric acid. Để tạo ra được 1 tấn các kim loại hiếm: Neodymium và Dysprosium, 2000 tấn các chất độc khác sẽ được thải ra môi trường.

Xe điện Renault Zoe thay thế các kim loại từ trường cách dùng dây chất đồng cuốn chung quanh máy (copper winding). Hãng xe Bentley chế tạo loại động cơ không dùng từ trường và không dùng dây đồng. Đời thứ 5 xe điện của hãng BMW dùng động cơ không chứa kim loại hiếm. Hãng xe Audi dùng động cơ bằng nhôm cho xe loại "e-tron" (aluminum rotor induction motor for the e-tron).

Các quốc gia tân tiến kỹ nghệ muốn sử dụng xe pin điện (EV) nhưng công dân của các quốc gia sản xuất Lithium và các kim loại khác sẽ bị sống trong những môi trường bị nhiễm độc rất lớn. Chiến lược tăng gia sử dụng xe điện (EV) sẽ cần rất nhiều chất Lithium dùng cho pin xe điện, nhưng chính các quốc gia tại Âu Châu và Hoa Kỳ rất cần nhập cảng Lithium từ Chile và từ những quốc gia khác có nhiều mỏ Lithium.

Kỹ thuật tái sử dụng lại pin xe điện (LiB) cần được nghiên cứu thêm và thực thi để giảm bớt sự cần thiết đến nguyên liệu Lithium tinh khiết. Bình pin điện hiện đang được nghiên cứu để giảm thiểu trọng lượng, lthu gọn kích thước nhỏ hơn, và tăng thêm điện chứa để xe được đi xa hơn, thời gian cần sạc điện ngắn hơn… Những sự tiến bộ này, thêm với việc cần giảm giá bán xe, sẽ quyết định tương lai cho EV.

Hiện nay, việc khai thác các nguyên liệu cần thiết cho xe điện, giúp thêm tiện nghi cho cuộc sống của các dân chúng sống tại thành thị nhưng đang tiêu diệt cuộc sống của các cộng đồng trong các vùng quặng mỏ từ thời xa xưa. Kỹ thuật tái sử dụng lại pin xe điện sẽ giảm bớt sự ô nhiễm môi trường cho những vùng này. Trung bình một xe điện sẽ được dùng từ 15 đến 20 năm, như vậy chúng ta sẽ cần đến 2 bình pin điện Lithium cho mỗi xe điện được sản xuất.

Để có thêm Lithium, các hãng xe EV cần phải đầu tư vào việc khai thác các quặng mỏ tại Âu châu và Hoa Kỳ. Dựa theo kỹ thuật khoa học hiện tại, khai thác Lithium từ chất nước chứa nhiều Lithium sẽ làm giảm chi phí từ 30% đến 50% ít hơn là khai thác quặng mỏ. Nước biển có thể đang chứa đến 2,600 tỷ tấn Lithium, các phát minh khoa học cần thiết trong tương lai có thể sẽ làm giảm bớt chi phí tốn kém hiện nay.

Ngoài kỹ nghệ xe, Lithium đang cần được dùng trong các kỹ nghệ pin chứa điện khác, polymers, đồ gốm, chế biến kim loại, kỹ nghệ dược phẩm và nhiều ứng dụng trong không gian. Hy vọng rằng với sự phát minh mới trong tương lai về kỹ thuật pin điện, sự tái sử dụng lại pin cũ sẽ thành công trước năm 2050 và sẽ làm giảm bớt sự ô nhiễm cho môi trường của các xứ đang khai thác quặng mỏ, tuy nhiên có thể gây ra những thiệt hại khác về kinh tế, đời sống?

Các chính trị gia cần phải nắm biết toàn diện các vấn đề một cách rõ hơn, việc cấm dùng xe chạy xăng vào năm 2035 là không thực tế và chính xác. Hiện nay, thay thế sự phụ thuộc vào dầu xăng với sự phụ thuộc vào chất Lithium và các kim loại đang khan hiếm, và đồng thời cũng cần phải lệ thuộc vào các quốc gia khác, làm gia tăng mức ô nhiễm cho môi trường, liệu đó có phải là một quyết định đúng hay không?

Thời gian rồi sẽ có câu trả lời.

Ghi chú:
Bài viết này được tóm lược dựa theo bài nghiên cứu khoa học (reseach article) với 184 tài liệu đã được tham khảo

"A Paradox over Electric Vehicles, Mining of Lithium for Car Batteries"
- https://www.mdpi.com/1996-1073/15/21/7997
- https://www.mdpi.com/1996-1073/15/21...ion=1666878592
do cùng ba tác giả biên soạn, đã được đăng trên mạng lưới diễn đàn khoa học thế giới MDPI tại Thụy Sĩ (Open access scientic journals–Switzerland) vào tháng 10 năm 2022. MDPI được sự ủng hộ của hơn 115,000 khoa học gia lỗi lạc trên thế giới, có hơn 25 triệu người xem mỗi tháng.

- https://www.mdpi.com/
- https://www.mdpi.com/about

1/ Levasseur, A.; Mercier-Blais, S.; Prairie, Y.; Tremblay, A.; Turpin, C. Amélioration de la précision de l’empreinte carbone de l’électricité: Estimation des émissions de gaz à effet de serre des réservoirs hydroélectriques. Renew. Sustain. Energy Rev. 2021, 136, 110433.

2/ U.S. Energy Information Administration. How Much Carbon Dioxide Is Produced Per Kilowatthour of U.S. Electricity Generation? 2020. Available online:
- https://www.eia.gov/tools/faqs/faq.php?id=74&t=11 (accessed on 20 May 2021).

3/ Jasmin, D. Électricité 101: La Consommation des Véhicules Electriques. 2019. Available online:
- https://roulezelectrique.com/electri...eselectriques/ (accessed on 30 January 2021).

4/ https://www.carbonbrief.org/factchec...limate-change/

Tiểu sử 3 tác giả:

- Ông John HT Lương là giáo sư tiến sĩ, nhà khảo cứu danh dự (Walton Fellow) của Hội Đồng Khoa Học Gia tại Ireland (Đại Học Cork, Ireland), nguyên chủ tịch hội đồng Nanobiotechnology và Biosensor Technology tại Canada và nguyên giáo sư & Trưởng ban Biomedial Engineering, Đại Học Kỹ Thuật Nanyang, Singapore. Ông là cựu kỹ sư Hóa Học tốt nghiệp tại Đại Học Phú Thọ 1973.
- https://www.adscientificindex.com/sc...php?id=1830275
- https://ie.linkedin.com/in/john-ht-luong-8a43ba112

- Ông Trần Cang là kỹ sư Hóa Học, tốt nghiệp tại tiểu bang New York, Hoa Kỳ. Ông cũng là cựu kỹ sư Hóa Học tốt nghiệp tại Đại Học Phú Thọ 1973.

- Ông Tôn Thất Di là kỹ Ss Điện Tử, tốt nghiệp tại California, cựu du học sinh tại Hoa Kỳ. Sau 1975, ông làm kỹ sư điện tử về ngành điện bán dẫn (semiconductor chip) cho các hãng Commodore, Western Digital, Motorola, NewPort Communications và Broadcom.