Giải mã kim loại quyến rũ khiến 'gã khổng lồ toàn cầu' lùng sục: Nguyên liệu chiến lược!

Hầu hết các nhà sản xuất ô tô đang khao khát bán cho bạn và người dùng khắp thế giới một chiếc ô tô điện. Tuy nhiên, xe ô tô điện đang chống lại thách thức của thời kỳ nóng lên toàn cầu của con người chúng ta: Nguồn cung cấp pin và nguyên liệu thô cần thiết để sản xuất ô tô điện đang ngày càng khan hiếm!

Tesla và Volkswagen là hai trong những nhà sản xuất ô tô coi mangan - nguyên tố số 25 trong bảng tuần hoàn, nằm giữa crom và sắt - là kim loại mới nhất (ở dạng nguyên tố tự do), đầy quyến rũ có thể làm cho cả pin và xe điện đủ giá cả phải chăng cho một người dùng bình dân. Họ sẽ làm gì?

Mặc dù lịch sử phản đối chiếc xe điện đầu tiên (và duy nhất) sử dụng pin mangan cao, là chiếc Nissan Leaf nguyên bản, ra đời năm 2011 [Nissan Leaf sau đó nhanh chóng trở thành mẫu xe điện bán chạy nhất trong lịch sử, không có đối thủ thực sự tính tại thời điểm đó - Greencarreports nhận định] - thì với ngành công nghiệp cần tất cả các loại pin mà nó có thể có được, những loại pin mangan cao cải tiến có thể ra đời một phân khúc thích hợp, có lẽ là một lựa chọn giá trung bình giữa hóa chất lithium-iron phosphate và pin giàu niken trong các mẫu xe hiệu suất và sang trọng hàng đầu.

Chiếc xe Nissan Leaf - mẫu xe điện bán chạy nhất trong lịch sử, không có đối thủ thực sự tính tại thời điểm ra đời năm 2011. Ảnh: Netcarshow

Tỷ phú Elon Musk (CEO của Tesla) đã 'gây bão' tại lễ khai trương nhà máy Tesla Gigafactory Berlin-Brandenburg ở châu Âu, khi trả lời câu hỏi về vật liệu graphene dày bằng một lớp nguyên tử trong pin: "Tôi nghĩ rằng có một tiềm năng thú vị đối với mangan".

Về khoáng sản thô, Elon Musk nhấn mạnh: "Cuối cùng thì chúng ta cần hàng chục, có thể hàng trăm triệu tấn. Vì vậy, vật liệu được sử dụng để sản xuất những viên pin này cần phải là những vật liệu phổ biến, nếu không bạn không thể mở rộng quy mô".

Tại "Power Day" được phát trực tiếp của hãng Volkswagen vào tháng 3/2022, CEO Herbert Diess thông báo Volkswagen sẽ sản xuất lượng pin xe điện (với số lượng bằng một nửa lượng pin trong các nhà máy sản xuất pin điện của Tesla) vào năm 2030 ở châu Âu, với tổng công suất 240 gigawatt-giờ.

Ngoài ra, Volkswagen đã và đang xây dựng các nhà máy sản xuất xe điện ở bang Tennessee (Mỹ) và Trung Quốc. Mặc dù xe điện của Volkswagen bán chạy hơn xe điện của Tesla ở châu Âu, nhưng hãng này đang chịu áp lực cạnh tranh gay gắt từ Tesla, và ở thị trường Trung Quốc, nơi Volkswagen hoạt động kém hơn.

'Gã khổng lồ toàn cầu' Volkswagen quyết tâm cắt giảm một nửa chi phí sản xuất pin đối với các mẫu xe cấp thấp và 30% đối với các mẫu xe giá trung bình.

Để đạt được điều đó, Volkswagen đã tiết lộ một "loại pin hợp nhất" đa năng có thể sử dụng nhiều chất hóa học trong một thiết kế lăng trụ tiêu chuẩn.

Mangan là kim loại phong phú thứ năm trên thế giới. Tuy nhiên, nó chủ yếu được khai thác ở các nước Brazil, Úc và Gabon cũng như các nước khác trên lục địa Châu Phi. Mỹ xem mangan là một nguyên liệu chiến lược và đã dự trữ nó từ năm 1916.

Trong sản xuất pin, cùng với coban và lithium, mangan được sử dụng để tạo ra cực âm trong pin lithium ion được sử dụng trong nhiều loại thiết bị điện tử bao gồm máy tính xách tay, điện thoại và xe điện. Do việc sử dụng ngày càng nhiều trong ngành công nghiệp điện tử, mangan vẫn sẽ được săn lùng vì các quá trình khai thác, nhập khẩu và xuất khẩu sẽ tiếp tục với nhu cầu cao trong tương lai gần, Belmontmetals thông tin.

Trong khi đó, Elon Musk và các chuyên gia khác đã nhìn thấy yếu tố hạn chế đang tồn tại trong việc thúc đẩy cuộc cách mạng xe ô tô điện: Tốc độ tụt hậu của cả sản xuất pin xe điện; và quá trình khai thác cũng như chế biến nguyên liệu thô của chúng.

Tại Berlin, Elon Musk cho rằng thế giới sẽ cần 300 terawatt giờ sản xuất pin hàng năm để thực hiện chuyển đổi hoàn toàn từ ô tô chạy bằng nhiên liệu hóa thạch. Con số này gấp 100 lần những gì Tesla dự đoán có thể sản xuất vào năm 2030, ngay cả khi công ty mở rộng công suất lớn.

Chỉ riêng pin giàu niken sẽ không giúp chúng ta đạt được điều đó, mặc dù mật độ năng lượng và hiệu suất hiện tại chưa từng có. Các vật liệu khác được yêu cầu, như mangan hoặc lithium sắt phosphate, thì pin thành phẩm cũng đòi hỏi một số yêu cầu.

Venkat Srinivisan, Giám đốc Trung tâm Hợp tác Argonne về Khoa học Lưu trữ Năng lượng (ACCESS), cho biết: "Số lượng khoáng chất đi vào pin nhiều hơn là một điều tốt".

"Là một vật liệu cực âm, mangan dồi dào, an toàn và ổn định, song nó chưa bao giờ đạt đến mật độ năng lượng hoặc vòng đời như của pin giàu niken" - Venkat Srinivisan cảnh báo.

Những người mua chiếc Nissan Leafs đời đầu có thể đồng tình: Nissan, không có nhà cung cấp nào sẵn lòng hoặc không có khả năng cung cấp pin trên quy mô lớn vào năm 2011, đã buộc phải chế tạo pin lithium mangan oxit của riêng mình với thiết kế “Spinel”.

Những 'gói năng lượng' nghèo nàn đó chỉ mang lại 24 kilowatt giờ dự trữ và phạm vi lái xe 117 km. Ngay cả kho lưu trữ và phạm vi lưu trữ nhỏ bé đó cũng nhanh chóng xuống cấp, đặc biệt là ở Tây Nam Mỹ và các vùng khí hậu khắc nghiệt khác, khiến khách hàng phải hú vía.

Pin “Lizard” vào năm 2014 với hóa chất mangan đã được sửa đổi đã tăng công suất lên 40 kWh, nhưng vẫn có tuổi thọ ngắn.

Ông Venkat Srinivisan cho biết câu chuyện về xe điện ở Mỹ nổi bật lên một trong những nhu cầu không-ngừng-thỏa-mãn về năng lượng và phạm vi lái xe, vốn đòi hỏi những loại pin năng lượng cao nhất. Điều đó có nghĩa là phải có coban, thường là sản phẩm phụ của quá trình khai thác niken và đồng, và là một trong những nguyên tố pin đắt nhất và hiếm có.

Việc sản xuất coban cũng do Cộng hòa Dân chủ Congo thống trị, nơi có liên quan đến lao động trẻ em trong hầm mỏ và các hành vi vi phạm nhân quyền khác.

"Mọi người đều đang suy nghĩ về việc thay thế niken và coban và làm thế nào để tái chế những thứ này"  - Ông Venkat Srinivisan cho biết.

Giải pháp Năng lượng của General Motors và LG tập trung vào loại pin Ultium [từng thử trên mẫu xe điện GMC Hummer EV]. Pin này sử dụng hóa chất nhôm mangan niken coban để làm giảm hàm lượng coban hơn 70%. Với 200 kWh trong một tấm pin 2 lớp - gấp đôi kích thước của loại pin lớn nhất của Tesla - GMC Hummer EV sở hữu phạm vi 529 km với động cơ đẩy ba động cơ 1.000 mã lực.

Tấm pin Ultium 2 lớp trên mẫu xe điện GMC Hummer EV. Ảnh: Insideevs

Loại pin đó, cho đến nay là loại pin lớn nhất từng được gắn vào xe ô tô điện, với trọng lượng 1.315 kg gắn vào trọng lượng khổng lồ 4.082 kg của chiếc GMC Hummer EV. (Với việc General Motors đang tiến hành sản xuất hàng loạt ở "Thành phố ô tô" Detroit (bang Michigan, Mỹ), GMC Hummer EV có thể tự gây ra tình trạng thiếu pin.

Cũng như các loại pin tốt nhất của Tesla, pin của General Motors chỉ sử dụng một lượng nhỏ mangan để ổn định cấu trúc, không phải làm vật liệu cathode (catốt) chính.

Theo công ty tái chế và vật liệu toàn cầu Umicore, hơn 90% mangan được khai thác để sản xuất sắt và thép không gỉ, với chưa đến 1% đi vào pin.

Khoáng chất cathode phổ biến tiếp theo là niken, với nguồn cung đa dạng hơn coban của Cộng hòa Dân chủ Congo, nhưng hầu như không tránh khỏi những lo ngại về địa chính trị.

Các kho dự trữ niken toàn cầu đang dần cạn kiệt. Các nhà đầu tư và thương nhân tỏ ra khó chịu trước các lệnh cấm hoặc gián đoạn tiềm năng đối với kim loại từ Nga, quốc gia sản xuất khoảng 17% niken có độ tinh khiết cao trên thế giới.

Vào tháng 3/2022, giá nicken đã tăng gấp đôi hầu như chỉ sau một đêm, lên đến 100.000 USD / tấn trong thời gian ngắn, lần đầu tiên khiến Sàn giao dịch kim loại London (London Metal Exchange, Anh) phải tạm ngừng giao dịch trong thời kỳ tăng giá mạnh.

Vì tất cả những lý do này - giá cả hàng hóa, chính trị, đạo đức, an ninh, tình trạng thiếu hụt, chiến lược dài hạn và bảo hiểm rủi ro - ngành công nghiệp đang bắt tay vào một chiến lược đa dạng hóa, một loạt các giải pháp cần phải đưa ra. Hoặc ít nhất là cho đến khi một số người đoạt giải Nobel trong tương lai nghĩ ra thứ gì đó để thay thế hoàn toàn lithium-ion.

LÙNG SỤC KHẮP THẾ GIỚI....

Đối với các nhà sản xuất ô tô hay thay đổi, ngay cả niken cũng bị đánh giá cao - ít nhất là trong số những công ty tập trung vào Trung Quốc, hoặc trên những chiếc xe điện tầm thấp, giá cả phải chăng hơn.

Hàng loạt 'gã khổng lồ toàn cầu' Tesla, Volkswagen, Ford, các công ty Trung Quốc và những công ty khác đang nhanh chóng chuyển sang sử dụng hóa chất lithium-iron phosphate (LFP, Lithium sắt phốt phát) - được phát minh vào những năm 1990 và cho đến gần đây vẫn được coi là 'rất hot' - cho các mẫu xe phổ thông hoặc thương mại.

Loại pin này không yêu cầu niken hoặc coban, chỉ cần nhiều sắt và phốt phát. Elon Musk đã xác nhận "chuyển đổi dài hạn" sang LFP cho xe ô tô cấp thấp (bao gồm cả Model 3) hoặc lưu trữ năng lượng.

Các loại pin có hàm lượng mangan cao được Elon Musk và Volkswagen chú ý cũng sẽ sử dụng ít niken hơn và không có coban. Chúng có vẻ giá cả phải chăng: Theo các nhà phân tích tại Roskill được trích dẫn tại Power Day, hóa học oxit lithium niken mangan có thể giảm 47% chi phí catốt cho mỗi kilowatt giờ so với các thiết kế giàu niken. 

Điều đó thúc đẩy Volkswagen xem xét mangan như một sự phù hợp tiềm năng cho các mẫu xe phổ thông, với LFP cho các xe hoặc thị trường cấp thấp, và các gói hiệu suất cao được thiết kế riêng cho các dòng xe như Porsche, Audi, Bentley hoặc Lamborghini.

Venkat Srinivisan, Giám đốc Trung tâm Hợp tác Argonne về Khoa học Lưu trữ Năng lượng (ACCESS) nói: "Tôi có thể thấy logic, nếu bạn có thể đưa nó đến mật độ năng lượng hợp lý, thì mangan sẽ trở thành chất phụ gia. Các nhà sản xuất ô tô có thể bù đắp chi phí cathode thấp hơn của mangan bằng các loại pin lớn hơn một chút, để mang lại phạm vi hoạt động gần ngang bằng với các thiết kế giàu niken".

Tỷ phú Elon Musk (phải) trong một sự kiện Battery Day của Tesla. Ảnh: Tesla

Trở lại năm 2020, tại sự kiện Battery Day của Tesla, Elon Musk bày tỏ sự lạc quan về loại khoáng chất mangan này: "Nếu tạo ra một cực âm có hai phần ba niken và một phần ba mangan, điều này sẽ cho phép chúng tôi tạo ra thêm 50% thể tích pin với cùng một lượng niken".

Khi Elon Musk vẫn đang vật lộn để đưa pin hình trụ 4680 định dạng lớn của mình ra thị trường - hiện đang chậm tiến độ - các chuyên gia cảnh báo rằng những thách thức kỹ thuật vẫn còn ở phía trước.

Pin có hàm lượng mangan cao vẫn chưa thể hiện được khả năng thương mại. Nhưng quy mô lớn của thử thách này khiến các nhà sản xuất ô tô và nhà sản xuất pin phải làm việc trong phòng thí nghiệm cũng như lùng sục khắp thế giới để tạo ra vật liệu (phải) phổ biến như bụi đường, chứ không thể không quý hiếm và đắt đỏ như vàng được!

Bài viết sử dụng nguồn: IEEE MAGAZINE, Belmontmetals