bài nghiên cứu kinh tế tài nguyên môi trường đề tài giải pháp xử lý pin ô tô điện hướng tới nền kinh

Loại chì này có thể sạc lại rẻ nhất và có thể tạo ranhiều năng lượng nên được sử dụng khá phổ biến.- Ưuđiểm:+ Giá thành thấp: Pin axit chì là một trong những loại pin có giá thành thấp n

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KINH TẾ VÀ QUẢN LÝ

BÀI NGHIÊN CỨU

HỌC PHẦN: KINH TẾ TÀI NGUYÊN MÔI TRƯỜNGĐỀ TÀI: Giải pháp xử lý PIN ô tô điện hướng tới “nền kinh tế xanh”

Giáo viên hướng dẫn: TS Trịnh Thu Thủy

Nhóm sinh viên thực hiện:

Nguyễn Thu Hương 20213211 Kinh tế công nghiệp K66Phạm Quang Huy 20213207 Kinh tế công nghiệp K66Nguyễn Thanh Phong 20202861 Kinh tế công nghiệp K65Hoàng Khánh Vân 20202874 Kinh tế công nghiệp K65

HÀ NỘI – 1/2024

Mục Lục

IV Xử lý Pin xe điện ở Việt Nam và ở các nước trên thế giới 10

6.2 Sản xuất pin EV gây cạn kiệt nguồn tài nguyên và khó tái chế 15

I Giới thiệu1.1 Lý do chọn đề tài:

Trên thế giới, xe điện đang trở thành một phần quan trọng trong ngành công nghiệp ôtô Với sự tăng trưởng nhanh chóng của xe điện, nhu cầu tìm kiếm phương pháp xử lýpin hiệu quả và bền vững cũng ngày càng tăng Hiệu suất và tỷ lệ tiêu thụ năng lượngcủa pin xe điện đóng vai trò quan trọng để đảm bảo hiệu quả vận hành và phạm vi đilại Nghiên cứu về phương pháp xử lý pin giúp cải thiện hiệu suất và tăng cường thờilượng sử dụng của pin, từ đó tăng cường khả năng di chuyển và giảm chi phí vận hànhcủa xe điện Bên cạnh đó, Pin là một yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo tính bềnvững của xe điện Vấn đề an toàn cũng là một yếu tố quan trọng cần được xem xéttrong việc sử dụng pin xe điện Nghiên cứu về phương pháp xử lý pin giúp nâng caoan toàn trong quá trình vận hành và sạc pin, từ đó giảm nguy cơ cháy nổ và các vấn đềliên quan đến an toàn.

Nghiên cứu về phương pháp xử lý pin đòi hỏi sự ứng dụng và phát triển đề của cáccông nghệ tiên tiến Việc nghiên cứu trong lĩnh vực này có thể đóng góp vào sự pháttriển và cải tiến công nghệ pin, từ đó tạo ra những tiến bộ đáng kể trong hiệu suất vàsự an toàn của pin xe điện.

Người tiêu dùng ngày càng quan tâm đến việc sử dụng xe điện như một phương tiệndi chuyển bền vững và không gây ô nhiễm Với sự gia tăng sử dụng pin xe điện,chúng em đã tiến hành tìm hiểu về bộ phận quan trọng hàng đầu này của những nhữngchiếc xe ô tô điện

1.2 Định nghĩa pin xe điện:

Pin ô tô điện chính là “linh hồn” của mọi dòng xe ô tô điện Chúng là bộ phận cungcấp điện chính cho động cơ, các thiết bị điện tử được sử dụng trong xe Bởi vậy, loạipin này thường sở hữu dung lượng lớn để đảm bảo xe có thể chạy một khoảng cách đủxa, đáp ứng các nhu cầu ngày càng tăng của người tiêu dùng.

II Các loại pin ô tô điện hiện nay2.1 Pin chì -Axit

Hình 1: Pin chì Axit

Pin axit chì là một loại ắc quy thứ cấp, loại pin này có thể sạc lại nhiều lần Theo đó,pin axit chì sử dụng các tấm chì và chì oxit trong dung dịch axit sunfuric Chì oxit sẽoxi hóa tấm chì, tạo ra dòng điện Loại chì này có thể sạc lại rẻ nhất và có thể tạo ranhiều năng lượng nên được sử dụng khá phổ biến.

- Ưuđiểm:

+ Giá thành thấp: Pin axit chì là một trong những loại pin có giá thành thấp nhất trênthị trường Điều này làm cho chúng trở thành một lựa chọn phổ biến cho các ứng dụngđòi hỏi số lượng pin lớn hoặc trong các ứng dụng có ngân sách hạn chế.

+ Hiệu suất cao: Pin axit chì có khả năng cung cấp dòng điện cao trong thời gian ngắn.Điều này làm cho chúng phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu sự phát điện mạnh mẽnhư các hệ thống khởi động xe hơi

+ Ổn định trong quá trình sạc và xả: Pin axit chì có thể dễ dàng sạc lại và xả ra màkhông gây hư hại đến hiệu suất của chúng Điều này làm cho chúng dễ sử dụng và bảotrì.chúng

- Nhượcđiểm:

+ Tuổi thọ hạn chế: Pin axit chì có tuổi thọ ngắn hơn so với nhiều loại pin khác, nhưpin lithium-ion Việc sử dụng và tái sử dụng liên tục có thể làm giảm hiệu suất và tuổithọ của pin.

+ Khối lượng nặng: Pin axit chì có mật độ năng lượng thấp, do đó chúng có khốilượng nặng hơn so với các loại pin hiện đại khác Điều này làm cho chúng không phùhợp cho các ứng dụng yêu cầu kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ.

+ Tốn nhiều thời gian để sạc: Pin axit chì có thể mất thời gian lâu hơn để sạc đầy sovới các loại pin khác Quá trình sạc có thể kéo dài từ vài giờ đến vài ngày, tùy thuộcvào dung lượng của pin.

2.2 Pin nickel-metal hydride (NiMH)

Hình 2: Pin nickel-metal hydride (NiMH)

-Về đặc điểm kỹ thuật:

+Năng lượng riêng: Nằm trong khoảng từ 60-120 Wh/kg, năng lượng riêng của pin

NiMH thể hiện khả năng lưu trữ năng lượng trong mỗi đơn vị khối lượng.

+ Mật độ năng lượng: Có giá trị từ 140-300 Wh/L, mật độ năng lượng của pin NiMH

chỉ ra khả năng chứa năng lượng trong mỗi đơn vị thể tích.

+ Công suất cụ thể: Nằm trong khoảng từ 250-1000 W/kg, công suất cụ thể thể hiện

khả năng cung cấp năng lượng trong mỗi đơn vị khối lượng của pin.

+ Hiệu suất sạc/ xả: Dao động từ 66% đến 92%, chỉ số này cho biết khả năng chuyển

đổi năng lượng giữa quá trình sạc và xả của pin NiMH.

+ Tỷ lệ tự xả: Có giá trị từ 1,3-2,9%/tháng ở 20°C, tỷ lệ tự xả mô tả mức độ mất năng

lượng tự nhiên khi pin không được sử dụng.

+ Độ bền chu kỳ: Nằm trong khoảng từ 180 đến 2000 lần, đây là số lần sạc và xả mà

pin có thể chịu đựng trước khi hiệu suất của nó giảm đi đáng kể.*Ứng dụng trong xe ô tô:

Hệ thống khởi động: Pin NiMH thường được sử dụng để cung cấp năng lượng cho

hệ thống khởi động xe hybrid Pin này giúp khởi động động cơ điện và hệ thống điệnkhác trên ô tô.

Hệ thống phanh tái tạo năng lượng: Trong các xe hybrid, hệ thống phanh tái tạo

năng lượng sử dụng pin NiMH để thu hồi và lưu trữ năng lượng phanh Khi người láiphanh, năng lượng được chuyển đổi thành điện và được lưu trữ trong pin NiMH để sửdụng lại sau này.

Hệ thống khôi phục năng lượng: Một số xe hybrid sử dụng pin NiMH để lưu trữ

năng lượng bổ sung từ động cơ xăng hoặc diesel Khi động cơ hoạt động ở mức hiệusuất tốt, năng lượng dư thừa được chuyển đổi thành điện và lưu trữ trong pin NiMHđể sử dụng khi cần thiết, chẳng hạn khi cần tăng tốc đột ngột hoặc khi động cơ yếu.

Hệ thống điện phụ: Pin NiMH cũng có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng

cho các thiết bị điện phụ trên ô tô như hệ thống âm thanh, hệ thống điều hòa khôngkhí, đèn chiếu sáng và hệ thống điện tử khác.

2.3 Pin lithium-ion

Hình 3: Pin lithium-ion

- Pin Lithium là một loại pin sạc, có tên gọi khác là pin Li-on, hoặc pin Lithi-on,viết tắt là LIB Loại pin này thường có mật độ năng lượng cao hơn nên khảnăng duy trì năng lượng tốt hơn so với nhiều loại pin khác nên được sử dụngrộng rãi.

- Cấu tạo:

+ Cực âm: Được cấu tạo từ than chì (graphene) và các vật liệu cacbon khác có

chức năng lưu giữ các ion Lithium L+ trong tinh thể.

+ Cực dương: Được làm bằng hợp chất oxit kim loại chuyển tiếp và Li (như

LiMnO2, LiCoO2,…)

+ Chất điện phân: Các chất có khả năng dẫn điện ion Lithium giữa các điện cực,

được hình thành từ muối, dung môi và chất phụ gia.

+ Dải phân cách: Thường được làm bằng nhựa PE hoặc PP có tác dụng như một

rào vật lý giữ cho cực âm và cực dương cách nhau.*SosánhpinLithiumkimloạivàpinLithiumion:

Tiêuchí PinLithiumkimloại PinLithiumion

Viên pin Pin không sạc được Pin sạc lại được.

Pin Li kim loại thường có mứchiệu suất xả cao hơn so với pinLi-ion với khả năng cung cấp dòngđiện lớn trong thời gian ngắn Tuy

nhiên, chúng có khả năng sạc chậm

hơn và có thể bị hạn chế về tuổithọ số lần sạc/xả.

Pin Li-ion thường có hiệusuất sạc tốt hơn và thời giansạc nhanh hơn so với pin Li

kim loại Chúng cũng có khả

năng duy trì dòng điện ổnđịnh trong quá trình xả,nhưng có thể không cung cấpdòng điện lớn như pin Li kimloại.

Pin Li kim loại cần được bảo quảnở môi trường mát mẻ và khô ráo.

Chúng cần tránh nhiệt độ cao, vì sẽ

gây ra sự giãn nở và co lại của cácthành phần bên trong pin, gây hỏnghóc và mất tuổi thọ.

Pin Li-ion cũng cần bảo quảnở nhiệt độ mát mẻ và khô ráo,

nhưng chúng thường linh

hoạt hơn trong môi trường.Tuy nhiên, việc bảo quản ởnhiệt độ cao cũng có thể ảnhhưởng đến tuổi thọ và hiệusuất của pin.

● Sử dụng Lithium ở dạngkim loại nguyên chất.● Pin sử dụng Lithium nhẹ

thay vì than chì nặng.● Có thể hiệu năng lưu trữ

điện vượt trội so với pinLithium Ion.

● Sử dụng các hợp chấtLithium ổn định hơnso với pin nguyên tốđược sử dụng trongpin Lithium.● Được sử dụng rộng rãi

trong các thiết bị điện

● Phù hợp với ứng dụng yêucầu dung lượng lớn như ô tôđiện.

tử tiêu dùng cầm taynhư: điện thoại,laptop,

III Thị trường pin xe điện tại Việt Nam

Hiện nay, các dòng xe điện VinFast đều được trang bị loại pin Lithium-ion, LFP vàlithium có dung lượng lớn và hiệu suất vận hành cao, cho khả năng sạc nhanh và vậnhành hiệu quả trên mọi địa hình.

Giá các loại Pin ở Việt Nam

Hiện tại Vinfast có 2 lựa chọn là mua đứt hoặc thuê pin

Nguồn số liệu:VinFast ra mắt phiên bản pin mới cho ô tô điện VF 8, VF 9 - Cộng đồngVinFast Toàn cầu

(Đơn vị :VND)

Hình 4: Giá pin VF 5 Plus

Hình 5: Giá Pin VF 6

Hình 6: Giá pin VF e34

Ông Miguel(Giám đốc mua sắm và chuỗi cung ứng của VinFast) cho biết pin hết hạnsử dụng sẽ được cắt, nghiền thành “bột đen”, rồi đưa vào nhà máy để xử lý Tại đây,thông qua các hệ thống chiết dung môi, các hợp chất kim loại sẽ được tách riêng.Lithium sau khi được tách sẽ có thể bán trực tiếp cho khách hàng, hoặc dùng để sản

xuất điện cực và tạo ra pin mới Các phụ phẩm của quá trình chiết dung môi cũngkhông bị bỏ phí mà sẽ tiếp tục được xử lý, kết tủa thành các hợp chất phục vụ sản xuấtđiện cực của pin Than chì cũng được lọc và đưa vào nhà máy sản xuất pin để tái sửdụng.

Với quy trình này, trên 99,5% sắt vụn đều được tái chế, bao gồm Lithium, nhựa, đồng,nhôm, coban, mangan, niken và các hạt điện tử.

Giải pháp chính: Xây dựng một bộ tiêu chuẩn ESG như một phần không thể thiếu củahoạt động thường ngày, thể hiện trách nhiệm cộng đồng ngay từ khâu đầu tiên củachuỗi cung ứng, hướng tới mua sắm bền vững (ưu tiên dùng sản phẩm ít phát thải, sảnphẩm có khả năng tái chế).

Giải pháp mở rộng: Xây dựng chuỗi cung ứng bền vững bằng cách hợp tác với cácdoanh nghiệp tái chế trên thế giới và các tổ chức về môi trường.

*Trên thế giới chạy đua tìm phương pháp tái chế pin hiệu quả

Trong nhiều năm gần đây, các doanh nghiệp, tập đoàn lớn ở Mỹ và châu Âu liên tụctìm tòi cách tái chế pin xe điện hiệu quả, vừa đem lại lợi nhuận từ hoạt động tái chế,vừa góp phần giảm phát thải ra môi trường Thống kê sơ bộ, trên thế giới hiện có ítnhất 80 công ty tham gia lĩnh vực tái chế pin xe điện, với hơn 50 công ty startup, thuhút ít nhất 2,7 tỷ USD vốn đầu tư.

Một điều ít người biết đến trong Đạo luật Giảm lạm phát của Mỹ đó là chính phủ Mỹkhông chỉ ưu tiên phát triển xe điện mà còn hỗ trợ các công ty tái chế pin xe điện.Louie Diaz, Phó chủ tịch Li-Cycle cho biết công ty đã nhận được khoản vay trị giá375 triệu USD của chính phủ Mỹ để xây dựng một nhà máy ở New York dự kiến mởcửa vào cuối năm nay Redwood Materials cũng đã nhận được khoản vay trị giá 2 tỷUSD của chính phủ Mỹ để xây dựng khu phức hợp tái chế và tái sản xuất pin ởNevada Một công ty khác là Ascend Elements vừa mở một nhà máy tái chế ở Georgiavà đã nhận được khoản tài trợ gần 500 triệu USD từ Bộ Năng lượng Mỹ.

Tại châu Âu, năm 2021, có khoảng 63 nghìn tấn pin phế liệu có thể tái chế ở Châu Âu.Con số này được dự báo sẽ tăng liên tục trong thập kỷ này, vượt qua 260 nghìn tấn vàonăm 2030 Pin phế liệu để tái chế có hai nguồn chính là pin đã hết tuổi thọ sử dụng vàrác thải từ các nhà máy sản xuất pin Hội đồng châu Âu đặt mục tiêu cho các nhà sảnxuất thu hồi lithium từ pin thải là 50% vào cuối năm 2027 và 80% vào cuối năm 2031.Các nhà nghiên cứu Thụy Điển cho biết họ đã phát triển một phương pháp tái chế pinxe điện mới hiệu quả hơn phương pháp hiện nay là thủy luyện Theo đó, quá trình nàykhông yêu cầu sử dụng các hóa chất đắt tiền hoặc độc hại Cụ thể, “bột đen” (blackmass) được hòa tan trong chất lỏng hữu cơ trong suốt gọi là axit oxalic Tại đây, nhôm

và lithium trong pin hòa tan trong axit oxalic, trong khi các kim loại khác được giữ lạidưới dạng thể rắn Bước cuối cùng của quy trình là tách các kim loại này để thu hồilithium, sau đó có thể sử dụng để chế tạo pin mới.

Tại Hàn Quốc, thị trường tái chế pin thải có thể đạt giá trị 68 tỷ USD vào năm 2040.Các nhà máy đang phấn đấu nâng tỷ lệ thu hồi lithium từ pin đã qua sử dụng lên trên90% trong vòng vài năm tới để chiếm lĩnh thị phần Các chuyên gia phân tích, để hòavốn, các doanh nghiệp phải đạt tỷ lệ thu hồi từ 80-85% đối với lithium và trên 95%đối với niken, coban, mangan Điều này cho thấy, lĩnh vực tái chế pin thải, dù có giátrị cao nhưng cũng đòi hỏi nguồn vốn đầu tư rất lớn.

V Những xu hướng Pin tiềm năng trong tương lai5.1 Pin thể rắn

+ Pin thủy tinh: Sử dụng các chất điện phân rắn là các hợp chất của Lithium,Germanium, Phốt pho và Lưu huỳnh Các chất điện phân thủy tinh có độ dẫnion thấp hơn và dễ bị phân hủy khi tiếp xúc với không khí hoặc nước.+ Pin polymer: Sử dụng các chất điện phân rắn là các polyme trạng thái rắn, như

polyether, gốc nitrile, polyester, polyurethane, polysiloxane,… Các chất điệnphân polymer có độ dẫn ion thấp hơn và cần nhiệt độ cao để hoạt động hiệuquả.

*Ưu nhược điểm của pin thể rắn khi sử dụng cho xe ô tô

Pin thể rắn là loại pin có cả hai thành phần điện cực và chất điện phân đều ở trạng tháirắn Chúng có tác dụng thay thế cho chất lỏng hoặc polyme để dẫn ion thường thấy ởpin lithium-ion hoặc pin lithium-ion polymer Pin thể rắn được coi là công nghệ pincủa tương lai vì có nhiều ưu điểm so với pin lithium-ion, như:

+ Thời gian sạc nhanh hơn: Pin thể rắn có thể sạc đầy ngay lập tức do mật độnăng lượng và sự ổn định điện hóa trong cấu tạo của pin.

+ Dung lượng lớn hơn: Pin thể rắn có khả năng dự trữ nhiều năng lượng hơn sovới pin lithium-ion cùng kích thước và trọng lượng.

+ Trọng lượng nhẹ hơn: Pin thể rắn không cần sử dụng chất lỏng hoặc polyme đểdẫn ion, do đó giảm được trọng lượng của pin.

+ Độ an toàn cao hơn: Pin thể rắn không bị rò rỉ, cháy nổ hay phát sinh nhiệt khibị hư hỏng hoặc sạc không đúng cách, do đó giảm được nguy cơ gây hại chongười dùng và môi trường.

*Tuy nhiên, pin thể rắn cũng có một số nhược điểm, chủ yếu là:

+ Chi phí sản xuất cao: Pin thể rắn cần sử dụng các vật liệu và thiết bị đặc biệt đểsản xuất, do đó chi phí sản xuất cao hơn so với pin lithium-ion.

+ Khó khăn trong việc thiết kế và tích hợp: Pin thể rắn cần phải có kết cấu chắcchắn và liên kết tốt giữa các thành phần để tránh bị nứt hoặc bong tróc khi hoạtđộng Điều này đòi hỏi kỹ thuật thiết kế và tích hợp cao.

*Ứng dụng pin thể rắn cho ô tô điện:

Trong lĩnh vực ô tô, pin thể rắn có tiềm năng trở thành công nghệ pin của tương laicho xe ô tô điện Theo IEA, tính đến năm 2040 có khoảng 80% lượng pin lithiumđược sản xuất trên toàn cầu sẽ ứng dụng cho xe điện Tuy nhiên, nguồn cung lithiumsẵn có trên thị trường hiện đang rất khan hiếm, đồng thời mức giá lithium carbonate -nguyên liệu cơ bản của ngành sản xuất pin lithium lại tăng cao Do đó, pin thể rắnđược kỳ vọng sẽ giải quyết được vấn đề này.

Pin thể rắn cho ô tô điện có khả năng cung cấp mật độ năng lượng cao hơn so với pinLi-ion, giúp giảm trọng lượng tổng thể của xe, tăng không gian chứa và đảm bảo đầyđủ năng lượng cho các hoạt động của phương tiện Pin thể rắn sử dụng vật liệu gốmrắn cho phép sạc nhanh hơn, tăng phạm vi di chuyển và giảm nguy cơ cháy nổ Pin thểrắn là công nghệ hoàn toàn mới, có xu hướng phát triển nhanh chóng trong tương lai.

Hiện nay, có một số công ty sản xuất xe ô tô đã bắt đầu nghiên cứu và phát triển cácmẫu xe sử dụng pin thể rắn, như Toyota, Hyundai, Volkswagen, BMW và VinFast Vídụ như Toyota đã công bố kế hoạch ra mắt xe điện sử dụng pin thể rắn vào năm 2025.Hyundai cũng đã ký hợp tác với LG Chem để phát triển pin thể rắn cho xe điện 3 TạiViệt Nam, VinFast là công ty đầu tiên và duy nhất hiện nay đã ký hợp đồng với SolidPower - công ty hàng đầu trong lĩnh vực sản xuất pin Lithium-ion ở trạng thái rắn đểáp dụng công nghệ này cho các mẫu xe điện của mình.

5.2 PIN NATRI - ION:5.2.1 Pin Natri-ion là gì?

Pin Natri-ion là một loại pin có thể sạc lại tương tự như pin Lithium-ion nhưng sửdụng ion Natri (Na+) làm chất mang điện Nguyên lý hoạt động và cấu tạo tế bào củanó gần giống với nguyên lý hoạt động của các loại pin Lithium-ion được bán rộng rãitrên thị trường, nhưng các hợp chất Natri được sử dụng thay vì các hợp chất Lithium.Pin Natri-ion (Na-ion) cung cấp khả năng bảo vệ môi trường vượt trội, nâng cao độ antoàn và chi phí nguyên liệu thô rẻ hơn so với pin Lithium-ion (Li-ion) Ngoài ra, pinNatri-ion cũng hứa hẹn hiệu suất mạnh mẽ và những cải tiến liên tục về mật độ nănglượng và tốc độ cải thiện chu kỳ sử dụng đang làm cho loại pin với công thức hóa họcnày trở nên đặc biệt thú vị.

5.2.2 Nguyên tắc hoạt động của pin Natri-ion

Pin Natri-ion bao gồm cực âm dựa trên vật liệu chứa Natri, cực dương (không nhấtthiết phải là vật liệu dựa trên Natri) và chất điện phân lỏng chứa muối Natri phân lytrong dung môi protic hoặc aprotic phân cực Trong quá trình sạc, các ion Na+đượctách ra từ cực âm và đưa vào cực dương trong khi các electron di chuyển qua mạchbên ngoài Trong quá trình phóng điện, quá trình ngược lại xảy ra khi các ion Natriđược tách ra khỏi cực dương và đưa lại vào cực âm với các điện tử di chuyển quamạch bên ngoài thực hiện công việc phóng điện hữu ích.

Pin natri và pin thể rắn (hay còn gọi là pin điện giải) là hai công nghệ pin tiềm năngtrong lĩnh vực lưu trữ năng lượng Một ưu điểm của pin natri so với pin lithium-ion(phổ biến hiện nay) là khả năng lưu trữ và truyền điện tích cao hơn, giúp tăng dunglượng và hiệu suất của pin Tuy nhiên, pin natri vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứuvà phát triển và cần thêm công việc để cải thiện tuổi thọ và an toàn của pin này.