Báo Cáo Chuyên Sâu về Chất Lượng Pin Hiện Nay: Đánh giá, Tác động và Biện pháp Khắc phục

I. Giới thiệu: Bối cảnh và Tầm quan trọng của Chất lượng Pin Hiện đại

Pin đã trở thành một thành phần không thể thiếu trong đời sống hiện đại, đóng vai trò xương sống cho nền kinh tế số và quá trình chuyển đổi năng lượng xanh toàn cầu. Từ các thiết bị di động cá nhân như điện thoại thông minh và máy tính xách tay đến các phương tiện giao thông điện (EV) và hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo quy mô lớn (điện mặt trời, gió), pin cung cấp nguồn năng lượng linh hoạt và hiệu quả, thúc đẩy sự phát triển của nhiều ngành công nghiệp và định hình lại cách thức chúng ta sống và làm việc. Sự tiến bộ vượt bậc trong công nghệ pin trong những thập kỷ gần đây đã mở ra những khả năng mới, đưa chúng ta đến gần hơn với một tương lai ít carbon hơn.

Tuy nhiên, sự gia tăng nhanh chóng của nhu cầu sử dụng pin cũng đồng thời đặt ra những thách thức đáng kể về chất lượng, hiệu suất và đặc biệt là tác động tiêu cực tiềm ẩn đến sức khỏe con người và môi trường trong suốt vòng đời của chúng. Điều này bao gồm từ quá trình khai thác nguyên liệu thô, sản xuất, sử dụng cho đến giai đoạn thải bỏ và tái chế. Một cái nhìn toàn diện và có trách nhiệm về những khía cạnh này là vô cùng cần thiết để đảm bảo sự phát triển bền vững của công nghệ pin.

Báo cáo này được biên soạn nhằm cung cấp một cái nhìn chuyên sâu và toàn diện về chất lượng pin hiện đại, tập trung đánh giá sâu sắc các rủi ro tiềm ẩn đối với sức khỏe con người và môi trường từ các thành phần hóa học, quy trình sản xuất, sử dụng và thải bỏ pin. Đồng thời, báo cáo sẽ đề xuất các biện pháp khắc phục hiệu quả và định hướng phát triển bền vững cho ngành công nghiệp pin trong tương lai, bao gồm các tiến bộ công nghệ, phương pháp tái chế tiên tiến và các khuôn khổ pháp lý đang được xây dựng.

II. Đánh giá Chất lượng và Hiệu suất các Loại Pin Phổ biến Hiện nay

Thị trường pin hiện nay chủ yếu được thống trị bởi ba loại công nghệ chính: Lithium-ion (Li-ion), Axit-chì, và Niken-Kim loại Hydrua (NiMH). Mỗi loại pin sở hữu những đặc tính riêng biệt về hiệu suất, chi phí và ứng dụng, đồng thời mang theo những ưu và nhược điểm cần được xem xét kỹ lưỡng.

Pin Lithium-ion (Li-ion)

Pin Lithium-ion đã trở thành lựa chọn hàng đầu cho nhiều ứng dụng công nghệ cao nhờ những ưu điểm vượt trội. Pin Li-ion dẫn đầu thị trường với mật độ năng lượng cao, dao động từ 50-260 Wh/kg ¹, thậm chí có nguồn ghi nhận 120-180 Wh/kg ² hoặc 460-600 Wh/kg.³ Khả năng lưu trữ nhiều năng lượng trong một không gian nhỏ gọn làm cho chúng trở nên lý tưởng cho các thiết bị điện tử cầm tay như điện thoại di động, máy tính xách tay và ô tô điện.⁴

Về trọng lượng, pin Li-ion nhẹ hơn đáng kể, tới 60% so với pin axit-chì ¹, hoặc chỉ bằng 1/3 khối lượng với cùng dung lượng.⁵ Đặc tính này cải thiện đáng kể tính di động và hiệu suất tổng thể của thiết bị. Hiệu suất sạc và xả của pin Li-ion thường vượt quá 95% ¹, giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng và giảm thiểu thất thoát. Pin Li-ion cũng nổi bật với độ xả sâu, cho phép sử dụng hơn 85% dung lượng của nó ¹, hoặc hơn 80% ⁶, mà không gây hại đáng kể đến các tế bào, mang lại khả năng sử dụng linh hoạt và hiệu quả hơn.

Tuổi thọ của pin Li-ion cũng là một điểm cộng lớn. Trung bình, chúng có thể vượt quá 1.000 chu kỳ sạc.¹ Một số loại pin LiFePO4 thậm chí có thể kéo dài hơn 3.000 chu kỳ với bảo trì thích hợp ¹, và pin Lithium nói chung có thể giảm dung lượng từ 100% xuống 80% trong khoảng 2500-3500 chu kỳ sạc ⁵, hoặc tuổi thọ có thể lên đến hơn 6 năm ³, giảm đáng kể tần suất thay thế và chi phí dài hạn. Ngoài ra, pin Li-ion có thời gian sạc nhanh và có thể sử dụng được ngay mà không cần thời gian nghỉ sau khi sạc.⁵ Chúng cũng có tốc độ tự xả thấp và không có hiệu ứng nhớ, nghĩa là chúng mất rất ít điện tích khi không sử dụng và có thể được sạc lại bất cứ lúc nào mà không lo bị rút ngắn tuổi thọ.⁴

Tuy nhiên, pin Li-ion cũng có những nhược điểm cần lưu ý. Chi phí đầu tư ban đầu của chúng cao hơn đáng kể so với pin axit-chì.¹ Một mối lo ngại lớn khác là rủi ro an toàn, đặc biệt là khả năng quá nóng hoặc phát nổ, đòi hỏi sự cẩn trọng cao trong thiết kế và sản xuất.⁴ Cuối cùng, hiệu suất của pin Li-ion giảm khi thời tiết lạnh, và việc sạc dưới 0°C (32°F) có thể dẫn đến mạ lithium vĩnh viễn trên cực dương, làm hỏng pin.¹

Sự phổ biến rộng rãi của pin Li-ion trong các thiết bị hiện đại phản ánh những lợi ích vượt trội về hiệu suất và tính tiện dụng mà chúng mang lại. Tuy nhiên, việc tập trung một lượng lớn năng lượng trong một không gian nhỏ, một đặc điểm cốt lõi của mật độ năng lượng cao, cũng làm tăng tiềm năng cho các sự cố nhiệt động học nghiêm trọng như thoát nhiệt và cháy nổ nếu pin bị hư hại vật lý, sạc sai cách hoặc có lỗi trong quá trình sản xuất. Điều này nhấn mạnh rằng sự phát triển của công nghệ Li-ion không chỉ dừng lại ở việc cải thiện hiệu suất mà còn đòi hỏi song song sự tiến bộ trong các hệ thống quản lý pin (BMS) và các biện pháp an toàn nghiêm ngặt để kiểm soát những rủi ro vốn có này, đặc biệt khi chúng được tích hợp vào các hệ thống lớn và phức tạp như xe điện.

Pin Axit-chì

Pin axit-chì là một công nghệ pin lâu đời và đã được kiểm chứng, nổi bật với giá thành thấp hơn các loại pin khác, làm cho chúng dễ dàng tiếp cận và sử dụng cho mục đích dân dụng hoặc lưu trữ điện năng dự phòng.¹ Công nghệ pin axit-chì đã được phát triển hơn 150 năm, rất trưởng thành và đáng tin cậy trong sản xuất và sử dụng.⁴ Pin này cũng có khả năng chịu lạnh tốt, duy trì hiệu suất ổn định trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt.⁴ Thêm vào đó, cấu tạo tương đối đơn giản giúp pin axit-chì dễ dàng quan sát, sửa chữa và bảo dưỡng.⁵

Mặc dù có những ưu điểm về chi phí và độ tin cậy, pin axit-chì lại có mật độ năng lượng rất thấp, khoảng 30-50 Wh/kg ¹, 28-40 Wh/kg ², hoặc 32 Wh/kg ², đòi hỏi thể tích lớn hơn để lưu trữ cùng một lượng năng lượng.⁴ Chúng cũng nặng hơn đáng kể so với pin Li-ion ¹, ảnh hưởng đến tính di động và hiệu quả không gian. Hiệu suất sạc/xả của pin axit-chì chỉ từ 70-85% ¹, dẫn đến lãng phí năng lượng đáng kể.

Độ xả sâu của pin axit-chì cũng bị hạn chế; chúng không nên xả vượt quá 50% dung lượng để bảo tồn tuổi thọ.¹ Tuổi thọ của loại pin này kém bền hơn, chỉ kéo dài 500-1000 chu kỳ sạc ¹, 800-1200 chu kỳ ⁵, hoặc 600 chu kỳ ², thường chỉ khoảng 1-2 năm sử dụng.⁵ Pin axit-chì cũng có tốc độ tự xả cao, đồng nghĩa với việc chúng sẽ mất nhiều điện năng khi không sử dụng.⁴ Đặc biệt, pin axit-chì ngập nước (FLA) yêu cầu bảo trì thường xuyên, bao gồm kiểm tra và bổ sung dung dịch axit để duy trì hiệu suất và tuổi thọ.⁵

Việc pin axit-chì có chi phí mua ban đầu thấp thường khiến chúng trở thành lựa chọn hấp dẫn. Tuy nhiên, khi xem xét tổng thể vòng đời sản phẩm, tuổi thọ ngắn hơn đáng kể và hiệu suất thấp hơn so với các công nghệ pin hiện đại dẫn đến chi phí vận hành và thay thế cao hơn trong dài hạn. Từ góc độ môi trường, tuổi thọ ngắn hơn đồng nghĩa với việc cần sản xuất và xử lý một lượng pin lớn hơn để đạt được cùng một thời gian sử dụng, làm tăng tổng lượng chất thải và tác động từ các thành phần độc hại như chì và axit sulfuric. Điều này nhấn mạnh sự cần thiết của việc đánh giá “chi phí thực” của pin, bao gồm cả chi phí môi trường và xã hội, thay vì chỉ tập trung vào chi phí mua sắm ban đầu, khi đưa ra quyết định lựa chọn công nghệ pin phù hợp.

Pin Niken-Kim loại Hydrua (NiMH)

Pin Niken-Kim loại Hydrua (NiMH) là một bước tiến từ pin Niken-Cadmium (NiCd), sử dụng hỗn hợp hấp thu hydride cho anốt thay cho cadmium, một chất độc hại. Nhờ đó, pin NiMH được coi là ít gây ô nhiễm môi trường hơn so với NiCd.¹² Pin NiMH có hiệu ứng nhớ nhỏ hơn pin niken-cadmium, giúp chúng sử dụng thuận tiện hơn.⁴ Chúng cũng có khả năng cung cấp dòng xả cao, phù hợp cho các ứng dụng cần nguồn điện lớn.⁴ Pin NiMH được coi là thân thiện với môi trường và có hiệu quả tái chế cao.¹³

Tuy nhiên, pin NiMH vẫn tồn tại một số hạn chế. Tốc độ tự xả của chúng cao, đồng nghĩa với việc chúng sẽ mất nhiều năng lượng khi không sử dụng.⁴ Giá thành của pin NiMH cao hơn pin axit-chì nhưng lại thấp hơn pin Li-ion.⁴ Về mật độ năng lượng, dung lượng của pin niken-hydro gần bằng pin niken-cadmium, nhưng pin lithium-ion có thể lưu trữ năng lượng gấp ba lần so với pin niken-hydro.¹⁴ Pin NiMH cũng nhạy cảm với quá nhiệt; chúng có thể bị hỏng nếu sạc quá mức, dẫn đến nóng pin.¹⁵ Nhiệt độ môi trường quá cao hay quá thấp đều ảnh hưởng tiêu cực đến tuổi thọ và độ bền của pin, có thể gây hỏng vĩnh viễn hoặc thậm chí nổ.¹⁷

Dưới đây là bảng so sánh các chỉ số hiệu suất chính của ba loại pin phổ biến:

Bảng 1: So sánh các chỉ số hiệu suất chính của Pin Li-ion, Axit-chì và NiMH

Đặc tính	Pin Lithium-ion (Li-ion)	Pin Axit-chì	Pin Niken-Kim loại Hydrua (NiMH)
Mật độ năng lượng (Wh/kg)	50-260 (thường 120-180, có thể lên 460-600) 1	30-50 (thường 28-40) 1	Thấp hơn Li-ion (khoảng 1/3 Li-ion) 14
Trọng lượng	Nhẹ hơn 60% so với Axit-chì 1, bằng 1/3 khối lượng 5	Nặng 1	Trung bình, nhẹ hơn Axit-chì, nặng hơn Li-ion
Hiệu suất sạc/xả (%)	> 95% 1	70-85% 1	Cao hơn NiCd, thấp hơn Li-ion
Độ xả sâu khuyến nghị (%)	> 85% (có thể > 80%) 1	< 50% 1	Không nên xả hoàn toàn 13
Tuổi thọ pin (chu kỳ sạc)	> 1.000 (LiFePO4 > 3.000), 2500-3500 chu kỳ 1	500-1.000 (thường 600) 1	Lên tới 1500 lần 15, tuổi thọ dài (15-20 năm) 18
Hiệu suất nhiệt độ cao (°C)	Lên đến 60°C với quản lý nhiệt 1	Lên đến 50°C 1	Nhạy cảm với quá nhiệt 15
Hiệu suất nhiệt độ lạnh	Xả ở 70% tại 0°F, sạc dưới 32°F có giới hạn 1	Chấp nhận điện tích thấp ở nhiệt độ thấp, xả ở 45% tại 0°F 1	Nhạy cảm với quá lạnh 17
Tốc độ tự xả	Thấp 4	Cao 4	Cao 4
Chi phí tương đối	Cao 1	Thấp 1	Trung bình (cao hơn Axit-chì, thấp hơn Li-ion) 4
Hiệu ứng nhớ	Không có 4	Không có	Nhỏ 4
Yêu cầu bảo trì	Thấp (BMS quản lý) 5	Thường xuyên (đặc biệt FLA) 5	Thấp

III. Phân tích Mức độ Gây hại và Ảnh hưởng của Pin đến Con người và Môi trường

Mặc dù pin mang lại nhiều lợi ích, nhưng các thành phần hóa học và quy trình liên quan đến vòng đời của chúng tiềm ẩn những rủi ro đáng kể đối với sức khỏe con người và môi trường nếu không được quản lý đúng cách.

Tác động đến Sức khỏe Con người

Pin chứa nhiều hóa chất nguy hiểm, độc hại và ăn mòn có thể gây ra các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng khi con người tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp.

• Các thành phần hóa học độc hại trong pin và nguy cơ phơi nhiễm:

  • Chì (Pb): Là thành phần chính trong pin axit-chì.⁹ Chì là kim loại nặng độc hại, có thể hấp thụ vào cơ thể qua đường ăn uống và hô hấp.¹⁹ Nhiễm độc chì gây tổn thương nghiêm trọng đến nhiều hệ cơ quan, bao gồm hệ thần kinh (não, dây thần kinh, tủy xương), thận, gan, hệ tiêu hóa, tim mạch (gây tăng huyết áp), và hệ sinh sản (gây vô sinh, sẩy thai, dị tật thai nhi).²⁰ Đặc biệt, trẻ em là đối tượng rất nhạy cảm và dễ bị nhiễm độc chì, có thể dẫn đến giảm chỉ số IQ.²⁰

  • Axit Sulfuric (H2SO4): Là chất điện phân trong pin axit-chì.⁹ Axit sulfuric là một trong những axit vô cơ mạnh nhất, có khả năng gây tổn thương nghiêm trọng cho cơ thể khi tiếp xúc trực tiếp. Nó gây bỏng da nghiêm trọng, tổn thương mô, và có thể gây mù mắt vĩnh viễn nếu tiếp xúc với mắt.²³ Hít phải hơi axit gây tổn thương hệ hô hấp, dẫn đến khó thở, viêm phế quản, xơ hóa phổi và sâu răng. Nuốt phải axit sulfuric gây bỏng đường tiêu hóa nghiêm trọng và có thể dẫn đến tử vong.²³ Tiếp xúc lâu dài với axit này cũng có thể tăng nguy cơ ung thư.²³

  • Cadmium (Cd): Có trong pin Ni-Cd ²⁶ và một số loại pin khác.²¹ Cadmium là kim loại nặng có độc tính cao; chỉ một lượng nhỏ (30-40g) có thể gây tử vong cho người trưởng thành.²¹ Khi nhiễm vào cơ thể, cadmium đào thải rất chậm, dẫn đến ngộ độc mãn tính với các triệu chứng như tổn thương thận và hệ thần kinh, rối loạn chức năng sinh dục, đau xương, rối loạn chức năng phổi và tăng nguy cơ ung thư.²¹ Do độc tính cao, pin Ni-Cd đã bị cấm ở Châu Âu vào năm 2009.²⁶

  • Niken (Ni): Có trong pin NiMH ²⁹ và Li-ion.³¹ Niken chủ yếu gây dị ứng da (viêm da tiếp xúc) với các triệu chứng ngứa, mẩn đỏ, mề đay, mụn nước và thay đổi sắc tố da.³² Tình trạng này phổ biến hơn ở phụ nữ do tiếp xúc thường xuyên với trang sức và các vật dụng chứa niken.³²

  • Lithium (Li): Là thành phần chính trong pin Li-ion.³⁴ Mặc dù các hợp chất lithium được sử dụng trong y học để điều trị rối loạn lưỡng cực ³⁶, nhưng việc phơi nhiễm các hợp chất lithium từ pin có thể gây ra các vấn đề sức khỏe nếu rò rỉ hoặc nuốt phải. Các triệu chứng ngộ độc lithium bao gồm buồn nôn, nôn mửa, tiêu chảy, buồn ngủ, yếu cơ, run, khó phối hợp, nhìn mờ hoặc ù tai. Trong trường hợp nặng, có thể gây co giật, mất ý thức, tổn thương thận và tuyến giáp.³⁶

  • PFAS (Polyfluoroalkyl substances): Được gọi là “hóa chất vĩnh cửu” do tính bền vững trong môi trường, PFAS được tìm thấy trong chất điện phân và chất kết dính của pin lithium-ion.³⁸ Chúng có thể rò rỉ từ bãi chôn lấp, gây ô nhiễm đất, trầm tích, nước và tuyết.³⁸ Phơi nhiễm lâu dài với PFAS có thể gây giảm khả năng sinh sản, giảm cân nặng khi sinh, suy yếu sức đề kháng của cơ thể, tăng nguy cơ mắc một số bệnh ung thư, hen suyễn, bệnh tuyến giáp, tổn thương gan và tăng mức cholesterol.³⁹

  • Thủy ngân (Hg): Có trong một số loại pin cũ và pin nút áo.²¹ Thủy ngân là chất hóa học cực kỳ độc hại. Nếu bị nhiễm, thủy ngân sẽ đi vào não, gây hư hỏng các cấu trúc thần kinh, làm giảm khả năng trí tuệ, rối loạn tính tình, suy yếu miễn dịch và ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự phát triển của thai nhi và trẻ sơ sinh.²¹

  • Mangan (Mn): Có trong một số loại pin.²¹ Nếu cơ thể tích tụ nhiều mangan, có thể gây độc cho phổi, thần kinh, thận, tim mạch và hình thành hội chứng manganism với các triệu chứng tương tự bệnh Parkinson.²¹

• Rủi ro sức khỏe trong quá trình sản xuất pin:

  • Quá trình sản xuất pin tiềm ẩn nhiều rủi ro cho người lao động. Trong sản xuất pin Li-ion, hơi dung môi thoát ra và chất điện phân lỏng rất dễ cháy và độc hại. Hít phải bụi vật liệu hoạt tính (như LiCoO2 hoặc than chì) hoặc các dung môi độc hại (như DMC, EMC, DEC) có thể gây kích ứng đường hô hấp, mắt, da, thậm chí gây ung thư hoặc tử vong nếu nồng độ vượt ngưỡng an toàn.⁷

  • Người lao động tiếp xúc trực tiếp với axit sulfuric và chì trong sản xuất pin axit-chì, hoặc các hóa chất khác trong sản xuất NiMH, có nguy cơ mắc các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng, bao gồm viêm phổi và ung thư.¹¹

  • Nguy cơ cháy nổ là một mối lo ngại lớn, đặc biệt đối với pin Li-ion. Hơi dung môi và chất điện phân lỏng trong pin Li-ion rất dễ cháy.⁷ Nhiệt độ cao, các tác động cơ học hoặc vật liệu nhiễm bẩn trong quá trình sản xuất có thể gây cháy nổ pin.⁷

  • Ngoài ra, một số quy trình sản xuất pin có thể liên quan đến việc sử dụng tia bức xạ (ví dụ khi nung các tấm pin), có thể gây hại cho sức khỏe của người lao động nếu không được bảo vệ đúng cách.⁴³

• Nguy hiểm từ rò rỉ, quá nhiệt và cháy nổ pin trong quá trình sử dụng và thải bỏ:

  • Rò rỉ hóa chất: Trong quá trình sử dụng, các phản ứng hóa học bên trong pin thường sản sinh ra khí hidro, tạo áp suất bên trong và có thể gây rò rỉ nước hoặc chất bột xốp.⁴⁴ Chất lỏng rò rỉ từ pin, ví dụ như potassium hydroxide trong pin kiềm hoặc axit trong pin axit-chì, có thể gây bỏng hóa chất, ngứa, dị ứng da khi tiếp xúc trực tiếp, đặc biệt với vùng da nhạy cảm như mắt, môi hoặc da trẻ em.⁴⁴ Ngộ độc có thể xảy ra nếu hít hoặc nuốt phải các chất này, với các triệu chứng như đau bụng, khó thở, tiêu chảy và hạ huyết áp.⁴⁴ Pin bị thủng hoặc rò rỉ cũng có thể gây ngắn mạch cho các thiết bị điện tử gần đó.⁴⁵

  • Quá nhiệt và cháy nổ: Hiện tượng thoát nhiệt (thermal runaway) là một rủi ro nghiêm trọng, đặc biệt với pin Li-ion. Đây là quá trình nhiệt độ pin tăng lên cực kỳ nhanh chóng (trong mili giây) do phản ứng dây chuyền giải phóng nhiệt, có thể đạt tới 400°C (752°F).⁴⁶ Nhiệt độ cao này có thể gây ra khí của pin và ngọn lửa cực nóng gần như không thể dập tắt được, dẫn đến pin nóng chảy, hư hại không thể phục hồi, tiêu hao pin, cháy cực nóng và nổ.⁴⁶ Các nguyên nhân gây ra thoát nhiệt bao gồm đoản mạch bên trong do pin bị hư hỏng vật lý hoặc bảo dưỡng kém, sạc pin vượt quá điện áp tối đa an toàn (sạc quá mức), sạc nhanh, hoặc hoạt động ngoài vùng nhiệt độ an toàn (quá nóng hoặc quá lạnh).⁴⁶ Pin axit-chì cũng có thể bị thoát nhiệt khi sạc, đặc biệt khi pin bị hao nước, có pin bị hỏng trong nhóm hoặc điện áp sạc quá cao.⁴⁸ Pin NiMH cũng nhạy cảm với quá nhiệt khi sạc.¹⁶ Ngoài ra, pin Li-ion bị hỏng có thể giải phóng khí độc hại cao và phát nổ khi nhiệt độ quá cao.⁸ Ngay cả khi đám cháy pin Li-ion dường như đã được dập tắt, nó có thể bùng phát lại sau hàng giờ hoặc thậm chí vài ngày.⁸

  • Tác động đến thiết bị điện tử: Rò rỉ hóa chất từ pin có thể gây hư hỏng nghiêm trọng cho các vi mạch điện tử, làm thiết bị bị hỏng và không thể sử dụng được nữa.⁴⁴

Tác động đến Môi trường

Vòng đời của pin, từ khai thác đến thải bỏ, đều có những tác động đáng kể đến môi trường.

• Khai thác nguyên liệu thô: Quá trình khai thác các kim loại và khoáng sản cần thiết cho pin như lithium, cobalt, niken và mangan gây ra xói mòn đất, mất rừng và suy giảm đa dạng sinh học.⁴⁹ Hoạt động khai thác mỏ là nguyên nhân hàng đầu dẫn đến phá hủy hệ sinh thái rừng.⁴⁹ Quá trình này cũng tạo ra lượng lớn khí thải carbon, góp phần vào hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu, đồng thời bụi và các chất ô nhiễm khác từ khai thác làm giảm chất lượng không khí.⁵⁰ Việc sản xuất một tấn lithium (đủ cho khoảng 100 pin ô tô) đòi hỏi khoảng 2 triệu tấn nước, khiến quá trình sản xuất pin trở nên cực kỳ thâm dụng nước.⁵¹

• Sản xuất pin: Quy trình sản xuất pin đòi hỏi nhiều năng lượng, thường từ nguồn không tái tạo như than đá hoặc khí đốt, dẫn đến phát thải một lượng lớn khí CO2 vào khí quyển.⁴⁹ Quá trình tinh chế và sản xuất các thành phần của pin có thể dẫn đến ô nhiễm hóa chất, ảnh hưởng đến không khí, đất và nguồn nước nếu không được xử lý đúng cách.⁴⁹ Chất thải công nghiệp từ chế tạo pin, bao gồm kim loại nặng và các hợp chất hóa học, nếu không được xử lý đúng cách, có thể gây ô nhiễm đất và nước, gây hại cho các hệ sinh thái và sức khỏe con người.⁵⁰

• Thải bỏ pin không đúng cách: Khi pin hết tuổi thọ và bị thải bỏ không đúng cách, chúng trở thành rác thải điện tử và là nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Pin thải thường chứa các hợp chất hóa học độc hại như chì, thủy ngân, cadmium và niken.⁴² Khi pin bị nén hoặc vỡ trong các bãi rác, các hóa chất độc hại này có thể rò rỉ vào đất và nước ngầm, gây ô nhiễm và tiềm ẩn nguy cơ sức khỏe cho các cộng đồng lân cận.⁴¹ Việc đốt rác chứa pin có thể phát thải các chất độc hại vào không khí, bao gồm kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, gây ô nhiễm không khí và ảnh hưởng đến sức khỏe hô hấp.⁴⁹ Pin Li-ion bị vứt bỏ không đúng cách là nguyên nhân hàng đầu gây ra hỏa hoạn trong các dòng rác thải, gây nguy hiểm cho người lao động và cơ sở hạ tầng.⁵⁶ Ngay cả pin Li-ion, dù được coi là ít độc hại hơn các loại khác, vẫn có thể phát thải các “hóa chất vĩnh cửu” (PFAS) từ lúc sản xuất đến khi phân hủy hoàn toàn, gây ô nhiễm đất, trầm tích, nước và tuyết.³⁸ Pin axit-chì bị rò rỉ được xem là chất thải nguy hại.⁵⁸

IV. Biện pháp Khắc phục và Hướng tới Tương lai Bền vững của Công nghệ Pin

Để giảm thiểu tác động tiêu cực của pin đến con người và môi trường, cần có một cách tiếp cận đa chiều, bao gồm phát triển công nghệ mới, tăng cường tái chế và xây dựng các khuôn khổ pháp lý chặt chẽ.

Phát triển Công nghệ Pin Mới An toàn và Bền vững hơn

Sự đổi mới trong vật liệu và cấu trúc pin đang mở ra những hướng đi mới để tăng cường an toàn và tính bền vững.

• Vật liệu mới: Các nhà nghiên cứu và hãng pin đang thử nghiệm thành công những dòng pin sử dụng vật liệu cực dương (anode) là silicon hoặc graphene, thay cho carbon truyền thống.⁵⁹ Chất điện phân thể rắn hoặc bán rắn đang được phát triển để thay thế dung môi dễ bay hơi, giúp giảm nguy cơ cháy nổ và rò rỉ.⁵⁹ Lớp cách điện cải tiến cũng góp phần giúp pin ổn định dòng điện và chống quá nhiệt.⁵⁹ Đặc biệt, pin lithium sắt photphat (LiFePO4) không chứa cobalt, một kim loại hiếm và đắt tiền thường được khai thác trong điều kiện không đạo đức, giúp giảm tác động môi trường và rủi ro cháy nổ.⁵² Các hệ thống pin dựa trên kẽm (Zn-ion) và natri (Na-ion) cũng đang trở nên quan trọng như các giải pháp thay thế không độc hại, rẻ tiền và an toàn hơn, không yêu cầu cobalt hoặc niken.⁶⁰ Các nhà khoa học cũng đã tìm ra vật liệu kết dính “giải phóng nhanh” cho phép tái chế pin Li-ion chỉ bằng nước, loại bỏ quá trình đốt cháy và giảm phát thải chất độc hại.⁶¹ Công nghệ pin lỏng không độc hại, không gây ăn mòn, sử dụng các phân tử hữu cơ tan trong dung dịch có độ kiềm trung tính, hứa hẹn kéo dài thời gian sử dụng và giảm chi phí sản xuất, đồng thời an toàn hơn nhiều khi xảy ra rò rỉ.⁶²

• Cấu trúc mới: Cấu trúc mới trong pin lithium-ion thế hệ 4 giúp tăng mật độ năng lượng mà không cần tăng kích thước, giảm tỷ lệ tiêu hao năng lượng và hạn chế pin chai sớm, đồng thời tương thích tốt với các thiết bị mỏng nhẹ.⁵⁹

• Quy trình sản xuất sạch hơn: Các quy trình sản xuất pin đang được cải tiến để thân thiện với môi trường hơn. Quy trình sản xuất điện cực khô (dry electrode manufacturing process) của Dragonfly Energy giảm 71% năng lượng tiêu thụ và 9% lượng khí thải carbon trong các giai đoạn sản xuất chính so với phương pháp thông thường, đồng thời loại bỏ nhu cầu sử dụng dung môi độc hại, sản xuất pin không chứa PFAS và cobalt.⁵² Việc sử dụng các dung môi gốc nước thay thế cho dung môi độc hại trong sản xuất điện cực pin Li-ion cũng giúp tiết kiệm chi phí đầu tư và vận hành, đồng thời giảm lượng khí thải CO2.⁶⁰ Các hệ thống kiểm tra tiên tiến như máy đo laser, công nghệ X-quang và kiểm tra siêu âm giúp phát hiện sớm các khuyết tật, giảm thiểu phế liệu và chất thải, cải thiện kiểm soát chất lượng và giảm tác động môi trường bằng cách tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên.⁶⁴

Tăng cường Tái chế Pin và Giảm thiểu Chất thải

Tái chế pin là một giải pháp then chốt để giảm thiểu chất thải điện tử, thu hồi các tài nguyên quý giá và đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của năng lượng tái tạo.⁶⁵

• Tầm quan trọng của tái chế: Pin, đặc biệt là pin Li-ion, sau khi sử dụng hết tuổi thọ sẽ trở thành chất thải điện tử. Nếu không được xử lý đúng cách, các vật liệu bên trong như lithium, cobalt, niken và mangan có thể gây ô nhiễm đất và nước, làm tổn hại đến môi trường sống và sức khỏe con người.⁶⁵ Tái chế giúp tái sử dụng các nguyên liệu này, giảm sự phụ thuộc vào việc khai thác tài nguyên thiên nhiên mới, giảm chi phí sản xuất pin mới và giảm thiểu tác động đến môi trường từ hoạt động khai khoáng.⁶⁵

• Các phương pháp tái chế hiệu quả:

  • Luyện kim (Pyrometallurgy): Là kỹ thuật tái chế truyền thống, sử dụng nhiệt để đốt cháy các vật liệu hữu cơ và nhựa, sau đó thu hồi kim loại.⁶⁶ Phương pháp này hiệu quả trong việc thu hồi kim loại nhưng không thu hồi được các chất phi kim loại và tiêu tốn nhiều năng lượng.⁶⁵

  • Thủy luyện (Hydrometallurgy): Phương pháp này nhúng các tế bào pin vào axit mạnh để hòa tan các kim loại thành dung dịch, sau đó tách và thu hồi các kim loại có giá trị như cobalt, niken, mangan và lithium.⁶⁶ Phương pháp này hiệu quả hơn trong việc thu hồi kim loại quý và ít tác động môi trường hơn luyện kim.⁶⁵ Các nhà khoa học EU đã phát triển một phương pháp thủy luyện mới sử dụng dung môi eutecti sâu (deep eutectic solvent) bao gồm axit lactic, choline chloride, axit citric và nước. Dung môi này không độc hại, ít tốn kém và có khả năng hòa tan hầu hết các oxit kim loại và kim loại, hứa hẹn quy trình tái chế hiệu quả và bền vững hơn cho pin Li-ion và NiMH.⁶⁸

  • Tách từ tính (Magnetic separation): Các nhà nghiên cứu tại Đại học Rice đã phát triển một phương pháp đột phá để tái chế pin Li-ion bằng kỹ thuật tách từ tính, giúp tinh chế hiệu quả vật liệu pin và duy trì tính toàn vẹn về cấu trúc và chức năng của chúng. Phương pháp này sử dụng gia nhiệt Joule flash không dung môi (FJH) để làm nóng nhanh pin, tạo ra các đặc điểm từ tính cho phép tách kim loại hiệu quả với tỷ lệ thu hồi lên tới 98%.⁷⁰

  • Tái chế pin axit-chì: Pin axit-chì có thể tái chế gần như 100%.⁷¹ Chì là kim loại được tái chế nhiều nhất trên thế giới. Vỏ nhựa được trung hòa và tái sử dụng, chất điện phân có thể được xử lý để tái sử dụng nước thải hoặc chuyển thành amoniac sulfate dùng trong phân bón.⁷¹

  • Tái chế pin NiMH: Pin NiMH được coi là thân thiện với môi trường và có hiệu quả tái chế cao.¹³ Quy trình tái chế bao gồm nghiền và phân loại thành các thành phần cần thiết, thu hồi kim loại, nhựa và các vật liệu thứ cấp khác như kẽm và sắt.¹⁸

• Thách thức trong tái chế: Mặc dù có nhiều tiến bộ, tái chế pin vẫn đối mặt với thách thức về chi phí cao do công nghệ và quy trình phức tạp. Nhiều quốc gia vẫn thiếu cơ sở hạ tầng và quy trình tái chế pin hiệu quả, và các quy định và chính sách chưa đồng bộ cũng là một rào cản.⁶⁵

Khuôn khổ Pháp lý và Tiêu chuẩn Quản lý Pin Bền vững

Các quy định và tiêu chuẩn quốc tế đang được phát triển để thúc đẩy quản lý pin bền vững hơn.

• Quy định của Liên minh Châu Âu (EU):

  • EU đã ban hành Quy định (EU) 2023/1542 về pin và pin thải vào tháng 7 năm 2023, thay thế Chỉ thị về pin hiện hành (2006/66/EC).³¹ Quy định này có hiệu lực từ tháng 8 năm 2023 và sẽ được áp dụng đầy đủ dần dần.

  • Mục tiêu chính: Tạo ra một bộ quy tắc thống nhất hơn nhằm đảm bảo tính an toàn và bền vững cho pin trong toàn bộ vòng đời, từ khai thác vật liệu đến thải bỏ.³¹

  • Các yêu cầu chính:

    • Thẩm định chuỗi cung ứng: Các công ty phải có nghĩa vụ thẩm định chuỗi cung ứng nếu pin của họ chứa cobalt, than chì tự nhiên, lithium và niken, bao gồm việc thông qua chính sách thẩm định, thiết lập hệ thống quản trị doanh nghiệp mạnh mẽ, phân biệt và đánh giá rủi ro, và thực hiện các chiến lược giải quyết rủi ro.³¹

    • Mục tiêu thu gom và tái chế: Quy định đặt ra các mục tiêu về tỷ lệ thu gom và hiệu quả tái chế mới, áp dụng từ năm 2025. Ví dụ, từ năm 2025, yêu cầu tái chế sẽ tăng lên 65% đối với pin Li-ion và 70% từ năm 2030.³¹

    • Mục tiêu thu hồi vật liệu: Đã đưa ra các mục tiêu thu hồi tối thiểu cho cobalt (16%), chì (85%), lithium (6%) và niken (6%) từ các cơ sở tái chế và xử lý pin, có hiệu lực từ cuối năm 2027.³¹

    • Khả năng thay thế pin: Pin di động phải dễ tháo rời và thay thế bởi người dùng, trong khi pin LMT phải dễ dàng được thay thế bởi các chuyên gia, có hiệu lực từ tháng 2 năm 2027.³¹

    • Hộ chiếu điện tử (Digital Battery Passport): Pin LMT, pin công nghiệp có dung lượng lớn hơn 2kWh và pin xe điện đưa ra thị trường phải có hồ sơ điện tử từ tháng 2 năm 2027.⁷³

    • Nhãn mác và thông tin: Yêu cầu về nhãn mác, đánh dấu và thông tin rõ ràng về dung lượng, hiệu suất, độ bền, thành phần hóa học và biểu tượng thu gom riêng.⁷³

    • Dấu CE: Tất cả pin, dù được tích hợp vào sản phẩm hay bán riêng lẻ, đều cần phải có tem CE theo quy định.³¹

• Quy định của Hoa Kỳ (US):

  • Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) khuyến nghị không vứt pin Li-ion và các thiết bị chứa pin này vào thùng rác gia đình hoặc thùng tái chế thông thường.⁷⁵ Thay vào đó, chúng nên được đưa đến các điểm thu gom pin hoặc cơ sở xử lý chất thải nguy hại gia đình.⁷⁵

  • Các quy định về chất thải phổ quát (universal waste regulations) của EPA cung cấp các yêu cầu hợp lý cho việc quản lý các loại chất thải nguy hại phổ biến, bao gồm pin Li-ion và pin lithium sơ cấp dùng một lần.⁷⁶ Các quy định này bao gồm cách quản lý, dán nhãn, thời gian lưu trữ và nơi gửi chất thải.⁷⁶

  • Để ngăn ngừa cháy nổ, EPA khuyến nghị dán băng dính vào các đầu cực của pin và/hoặc đặt pin vào túi nhựa riêng biệt.⁷⁵

  • Luật Quản lý Pin Chứa Thủy ngân và Pin Sạc (Mercury-Containing and Rechargeable Battery Management Act – Public Law 104-142) được ban hành để loại bỏ việc sử dụng pin chứa thủy ngân và thúc đẩy tái chế pin niken-cadmium, pin axit-chì kín nhỏ và một số loại pin sạc khác.⁷⁷

  • Các quy định về xử lý pin khác nhau đáng kể giữa các bang ở Hoa Kỳ. Một số bang như California và New York có các quy định nghiêm ngặt yêu cầu tái chế tất cả các loại pin hoặc các loại pin cụ thể, trong khi các bang khác như Texas và Florida có thể cho phép thải bỏ pin không nguy hại vào thùng rác thông thường.⁷⁸ Việc không tuân thủ có thể dẫn đến các khoản phạt đáng kể.⁷⁸

• Luật pháp Việt Nam:

  • Việt Nam đã có các quy định về thu hồi và xử lý sản phẩm thải bỏ, bao gồm pin, thông qua Thông tư 34/2017/TT-BTNMT.⁸⁰ Thông tư này quy định chi tiết về hình thức, số lượng và vị trí điểm thu hồi pin thải bỏ, cũng như các yêu cầu kỹ thuật tại các điểm thu hồi để đảm bảo an toàn và không rò rỉ chất thải ra môi trường.⁸⁰

  • Quy định về Trách nhiệm mở rộng của nhà sản xuất (EPR) đối với pin dùng một lần đã có hiệu lực từ ngày 01/01/2022. Các nhà sản xuất, nhập khẩu pin dùng một lần vào thị trường Việt Nam có trách nhiệm đóng góp tài chính vào Quỹ Bảo vệ môi trường Việt Nam để hỗ trợ các hoạt động xử lý chất thải, với mức đóng góp là 01% doanh thu hoặc giá trị nhập khẩu của sản phẩm.⁸¹ Mức đóng góp này sẽ được điều chỉnh tăng dần theo yêu cầu bảo vệ môi trường.⁸¹

V. Kết luận và Khuyến nghị

Chất lượng pin hiện nay đã đạt được những bước tiến vượt bậc, đặc biệt là công nghệ Lithium-ion với mật độ năng lượng cao, trọng lượng nhẹ và tuổi thọ dài, trở thành động lực chính cho sự phát triển của thiết bị điện tử và xe điện. Tuy nhiên, sự phát triển này cũng đi kèm với những thách thức đáng kể về an toàn và tác động môi trường. Các thành phần hóa học độc hại như chì, axit sulfuric, cadmium, niken, lithium, PFAS và thủy ngân tiềm ẩn nguy cơ nghiêm trọng cho sức khỏe con người trong suốt vòng đời của pin, từ khai thác, sản xuất, sử dụng cho đến thải bỏ. Rủi ro cháy nổ, rò rỉ hóa chất và ô nhiễm môi trường từ quá trình khai thác nguyên liệu, sản xuất và đặc biệt là thải bỏ pin không đúng cách đang là những mối lo ngại cấp bách.

Để hướng tới một tương lai bền vững, việc phát triển công nghệ pin mới an toàn hơn, quy trình sản xuất sạch hơn và tăng cường tái chế pin là những giải pháp không thể thiếu. Các vật liệu tiên tiến như silicon, graphene, chất điện phân thể rắn, và công nghệ LiFePO4 không chứa cobalt đang giảm thiểu độc tính và tăng cường an toàn. Quy trình sản xuất điện cực khô và sử dụng dung môi gốc nước cũng góp phần đáng kể vào việc giảm thiểu tác động môi trường. Đồng thời, các phương pháp tái chế tiên tiến như thủy luyện, tách từ tính đang mở ra khả năng thu hồi kim loại quý hiệu quả hơn, giảm thiểu chất thải và nhu cầu khai thác tài nguyên mới.

Tuy nhiên, những nỗ lực này cần được hỗ trợ và thúc đẩy bởi các khuôn khổ pháp lý và tiêu chuẩn quản lý chặt chẽ. Các quy định của EU, EPA của Hoa Kỳ và luật pháp Việt Nam đang dần hình thành một hệ thống toàn diện để quản lý pin trong suốt vòng đời của chúng, từ trách nhiệm mở rộng của nhà sản xuất đến các mục tiêu tái chế và yêu cầu về thông tin sản phẩm.

Khuyến nghị:

Để tối ưu hóa chất lượng pin và giảm thiểu tác động tiêu cực, các bên liên quan cần thực hiện các hành động sau:

1. Đối với Nhà sản xuất và Nhà nghiên cứu:

   • Ưu tiên R&D về vật liệu và quy trình xanh: Tiếp tục đầu tư vào nghiên cứu và phát triển các vật liệu pin không độc hại, bền vững hơn (ví dụ: pin không chứa cobalt, pin dựa trên kẽm/natri) và các quy trình sản xuất sạch hơn (ví dụ: sản xuất điện cực khô, dung môi gốc nước) để giảm thiểu phát thải và chất thải.

   • Tăng cường an toàn pin: Cải tiến công nghệ quản lý pin (BMS) để ngăn ngừa quá nhiệt, cháy nổ và rò rỉ, đặc biệt đối với pin Li-ion mật độ năng lượng cao.

   • Thiết kế cho tái chế: Thiết kế pin dễ tháo rời và tái chế ngay từ giai đoạn đầu, tạo điều kiện thuận lợi cho việc thu hồi vật liệu.

2. Đối với Người tiêu dùng:

   • Lựa chọn pin bền vững: Ưu tiên sử dụng pin sạc lại (Li-ion, NiMH) thay vì pin dùng một lần để giảm lượng chất thải.

   • Sử dụng và bảo quản đúng cách: Tuân thủ hướng dẫn của nhà sản xuất về sạc, xả và bảo quản pin để kéo dài tuổi thọ và giảm thiểu rủi ro an toàn.

   • Thải bỏ pin có trách nhiệm: Không vứt pin vào thùng rác sinh hoạt. Tìm kiếm và sử dụng các điểm thu gom pin cũ, các chương trình tái chế pin tại địa phương hoặc các nhà bán lẻ để đảm bảo pin được xử lý đúng cách, ngăn chặn các hóa chất độc hại rò rỉ ra môi trường.

3. Đối với Chính phủ và Cơ quan quản lý:

   • Hoàn thiện và thực thi pháp luật: Tiếp tục xây dựng, hoàn thiện và thực thi nghiêm ngặt các quy định về quản lý pin trong toàn bộ vòng đời, từ khai thác, sản xuất đến tái chế và thải bỏ, bao gồm cả trách nhiệm mở rộng của nhà sản xuất (EPR).

   • Đầu tư vào hạ tầng tái chế: Khuyến khích và đầu tư vào việc xây dựng các cơ sở hạ tầng tái chế pin hiện đại, hiệu quả, đặc biệt là các công nghệ tái chế tiên tiến như thủy luyện và tách từ tính.

   • Nâng cao nhận thức cộng đồng: Tăng cường các chiến dịch giáo dục và truyền thông để nâng cao nhận thức của người dân về tác hại của pin thải và tầm quan trọng của việc thải bỏ và tái chế đúng cách.

   • Hài hòa hóa quy định: Hợp tác quốc tế để hài hòa hóa các tiêu chuẩn và quy định về pin, tạo điều kiện thuận lợi cho thương mại và quản lý pin bền vững trên toàn cầu.

Bằng cách hợp tác giữa các nhà sản xuất, người tiêu dùng và cơ quan quản lý, ngành công nghiệp pin có thể tiếp tục phát triển, cung cấp năng lượng cho thế giới hiện đại một cách hiệu quả, đồng thời giảm thiểu tối đa tác động tiêu cực đến sức khỏe con người và môi trường.

Việt Dương tổng hợp