Tái chế pin thường phá cathode thành nguyên liệu rồi làm lại: DEER muốn giữ nguyên cả điện cực

Một cathode pin lithium-ion đã qua sử dụng không chỉ là một túi nickel, cobalt, manganese và lithium chờ được tách ra. Phần lớn giá trị kỹ thuật của nó đã được tạo ra từ trước: vật liệu hoạt tính có cấu trúc tinh thể đúng, được phối với chất dẫn và binder, phủ thành lớp có độ dày kiểm soát trên lá kim loại rồi sấy, cán và cắt thành điện cực.

Phần lớn quy trình tái chế hiện nay không giữ lại công sức đó. Pyrometallurgy đưa pin qua nhiệt độ cao để thu hồi kim loại; hydrometallurgy thường nghiền pin thành black mass rồi hòa tan vật liệu bằng hóa chất để tách các nguyên tố. Ngay cả nhiều quy trình “direct recycling” mới hơn vẫn bắt đầu bằng việc phá điện cực thành bột, phục hồi vật liệu cathode rồi phải quay lại các bước trộn slurry, coating, drying và slitting để chế tạo điện cực mới.

Một nhóm tại Cornell University đang thử rút ngắn vòng lặp thêm một cấp. Trong nghiên cứu công bố trên Energy & Environmental Science tháng 6/2026, Kiwon Kim, Vibha Kalra và cộng sự giới thiệu DEER — Direct Electrode-to-Electrode Regeneration. Thay vì nghiền cathode và anode, họ lấy cả hai điện cực ra khi chúng vẫn nguyên vẹn trên current collector, xử lý chúng trong một cell điện hóa rồi lắp chúng trở lại thành pin mới.

Trong thử nghiệm, điện cực được tái sinh lấy lại tới 95% dung lượng ban đầu. Nhưng điểm quan trọng hơn con số đó là thứ DEER cố giữ: không chỉ nickel, cobalt hay lithium, mà cả giá trị đã được đầu tư vào hình dạng và cấu trúc của điện cực.

Vì sao tái chế một nguyên tố chưa chắc là tái chế hết giá trị?

Cathode NMC được sản xuất qua nhiều công đoạn trước khi trở thành một tấm điện cực có thể đặt vào cell. Vật liệu cathode phải có đúng thành phần và cấu trúc; bột sau đó được trộn với binder và conductive additive, phủ lên aluminum current collector, sấy, cán để đạt mật độ mong muốn rồi cắt theo hình học cell.

Khi một quy trình tái chế đưa tất cả trở về muối nickel, cobalt, manganese hoặc lithium carbonate, nó có thể thu hồi tốt các nguyên tố nhưng đã xóa phần lớn “giá trị chế tạo” đó. Muốn quay lại cathode, nhà sản xuất phải tổng hợp vật liệu hoạt tính và chế tạo điện cực lần nữa.

Paper của Cornell dẫn các phân tích cho thấy các bước electrode manufacturing — gồm slurry mixing, coating, drying và slitting — có thể chiếm tới 42% chi phí và 57% năng lượng trong sản xuất một loại cell lithium-ion 32 Ah. Vì vậy, nếu điện cực còn đủ tốt để sửa thay vì phá bỏ, việc giữ nguyên nó có thể tiết kiệm nhiều hơn chỉ thu hồi nguyên liệu.

Đây là khác biệt giữa material recycling và electrode-level circularity: một bên hỏi có lấy lại được nguyên tố hoặc bột cathode hay không; bên kia hỏi có thể giữ luôn thành phẩm trung gian đắt tiền là điện cực hay không.

DEER nhắm vào lớp “rác hóa học” tích tụ trên bề mặt

Một pin mất dung lượng không nhất thiết đồng nghĩa toàn bộ cấu trúc NMC hay graphite bên trong đã bị phá hủy. Trong quá trình cycling, các phản ứng giữa điện cực và electrolyte tạo ra những lớp interphase trên bề mặt: thường gọi là SEI ở anode và CEI ở cathode, hay gọi chung trong paper là electrode–electrolyte interphase (EEI).

Một interphase mỏng và ổn định thực ra cần thiết cho pin hoạt động. Nhưng qua thời gian, các sản phẩm phụ điện hóa có thể tích tụ, làm lớp này dày lên. Những thành phần redox-inactive cản trở vận chuyển ion và che một phần bề mặt điện cực, khiến cell mất khả năng cung cấp dung lượng dù vật liệu hoạt tính phía dưới chưa hỏng hoàn toàn.

DEER đặt cược rằng với một nhóm pin cuối vòng đời nhất định, đây là nút thắt có thể đảo ngược.

Nhóm tháo cathode NMC và anode graphite khỏi cell nhưng giữ chúng nguyên trên aluminum và copper current collector. Hai điện cực sau đó được đưa vào một cell tái sinh chứa dung môi 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone (DMI). DMI có donor number cao, tức có khả năng tương tác mạnh với các species chứa lithium trong interphase.

Khi hệ thống được kích hoạt điện hóa, DMI tạo môi trường thuận lợi để hòa tan nhiều thành phần carbonate và lithium compound không còn hoạt tính trong lớp EEI. Operando Raman, infrared spectroscopy và NMR sau xử lý được nhóm sử dụng để theo dõi quá trình này.

Điều đáng chú ý là DEER không cố tẩy sạch mọi thứ khỏi bề mặt. Một lớp giàu LiF mỏng vẫn còn lại sau regeneration. Theo kết quả cycling của nhóm, lớp còn lại này có thể góp phần tạo interphase ổn định hơn khi điện cực được tái sử dụng.

Cathode và graphite được sửa cùng lúc

Nhiều nghiên cứu direct recycling tập trung vào cathode vì đây thường là thành phần có giá trị vật liệu cao nhất. DEER xử lý cả cathode NMC lẫn graphite anode trong cùng chiến lược.

Khi kiểm tra riêng từng điện cực sau regeneration, cathode tái sinh đạt khoảng 182,9 mAh/g ở 0,2C, tương đương 97% cathode pristine trong phép đo của nhóm. Graphite đạt khoảng 370,3 mAh/g ở 0,1C, tương đương 98% mẫu pristine.

Khi ghép lại thành full cell, quy trình có thể lấy lại tới khoảng 95% dung lượng ban đầu và cho cycling stability tốt hơn cell đã xuống cấp trước xử lý.

Đây không phải phép “hồi sinh” mọi battery chemistry. Nghiên cứu tập trung vào NMC/graphite và vào các cell đã xuống cấp theo cách mà lớp interphase trở thành một nguyên nhân quan trọng. Cornell cho biết những pin nhóm đang xử lý ở khoảng 70–80% state of health — vùng thường được coi là gần cuối vòng đời cho nhiều ứng dụng xe điện dù chúng chưa hỏng hoàn toàn về mặt hóa học.

Giữ electrode nguyên vẹn giúp bỏ cả một chuỗi công đoạn

Lợi thế kinh tế mà paper báo cáo không đến từ việc bản thân dung môi DMI rẻ. Trên thực tế, DMI là một phần chi phí đáng kể của DEER.

Trong techno-economic analysis sử dụng mô hình EverBatt của Argonne National Laboratory, chi phí riêng cho công đoạn recycling được ước tính khoảng 4,50 USD trên mỗi kg feedstock NMC811 — cao hơn 3,87 USD/kg của pyrometallurgy và 3,82 USD/kg của hydrometallurgy trong các giả định của nhóm. Khoảng 63% chi phí DEER đến từ electrolyte DMI.

Nhưng đầu ra khác nhau. Pyro và hydro tạo precursor hoặc vật liệu phải đi tiếp qua nhiều bước sản xuất. DEER tạo ra electrode có thể quay thẳng về bước lắp cell. Nhờ vậy, nhóm tính doanh thu từ vật liệu tái sinh đạt khoảng 14,34 USD/kg feedstock và lợi nhuận mô hình khoảng 9,84 USD/kg, so với 1,22 USD/kg cho pyro và 2,11 USD/kg cho hydro.

Khi tính tới việc chế tạo một cell mới từ vật liệu tái chế, mô hình cho chi phí khoảng 15,25 USD/kg cell với DEER, so với 26,31 USD/kg cho tuyến pyro và 31,07 USD/kg cho hydro. Tổng năng lượng dùng cho tuyến DEER được ước tính khoảng 152 MJ/kg cell, thấp hơn khoảng 34% so với hai tuyến đối chứng trong phân tích.

Những con số này là kết quả của techno-economic và life-cycle modeling, chưa phải dữ liệu từ một nhà máy DEER thương mại. Giá dung môi, khả năng thu hồi DMI, năng suất thiết bị, lao động và logistics ở quy mô công nghiệp đều có thể làm economics thay đổi đáng kể.

Điểm yếu lớn nhất: điện cực phải còn đủ nguyên để đáng sửa

DEER đặc biệt hấp dẫn vì nó không phá electrode. Cũng chính điều đó tạo ra giới hạn của nó.

Nếu cathode đã mất nhiều lithium không thể hồi phục bằng việc làm sạch interphase, cấu trúc NMC bị nứt hoặc chuyển phase nghiêm trọng, current collector bị ăn mòn, electrode bong khỏi foil hay cell chịu hư hại nhiệt, hòa tan EEI sẽ không đưa vật liệu trở về trạng thái ban đầu.

Vibha Kalra cho biết bước tiếp theo của nhóm là xử lý các cơ chế degradation khác, đặc biệt là lithium loss, để mở rộng cửa sổ battery condition mà DEER có thể phục hồi.

Feedstock sorting vì thế sẽ trở thành một phần quan trọng nếu công nghệ đi xa hơn. Một recycler phải biết pin nào phù hợp cho electrode regeneration và pin nào nên đi sang direct cathode recycling, hydrometallurgy hoặc pyrometallurgy. Nếu mở cell, xử lý và kiểm tra một electrode chỉ để phát hiện nó đã hỏng quá nặng, lợi thế chi phí có thể giảm nhanh.

“Không cần shredding” hiện vẫn chưa có nghĩa sửa nguyên cả cell

Paper cũng thử một phiên bản tham vọng hơn: bơm DMI trực tiếp vào custom coin cell mà không tháo điện cực. Hệ thống có thể thực hiện regeneration, nhưng nếu sau đó cycling ngay với dung môi tái chế còn trong cell, performance không tốt. Dung lượng chỉ được phục hồi khi nhóm rửa cell và lắp lại với electrolyte tươi.

Điều đó cho thấy DEER hiện vẫn là electrode-to-electrode, chưa phải “cắm một viên pin cũ vào máy rồi lấy ra viên pin như mới”. Các electrode phải được tiếp cận, xử lý và sau đó đưa vào cell với electrolyte phù hợp.

Nhóm đề xuất những thiết kế flow-based cho pouch cell và prismatic cell, trong đó recycling solvent có thể được đưa vào rồi hút ra trước khi electrolyte mới được bơm vào. Nhưng đây hiện là concept engineering, chưa phải dây chuyền được chứng minh ở quy mô sản xuất.

Tái chế trực tiếp vẫn không có một công thức cho mọi pin

DEER nằm trong một chuyển dịch rộng hơn của battery recycling. Thay vì luôn phá vật liệu về cấp nguyên tố, nhiều nhóm đang cố giữ càng nhiều cấu trúc càng tốt: giữ crystal framework của cathode, giữ morphology của particle, và giờ là giữ cả electrode coating trên current collector.

Nhưng càng giữ cấu trúc ở cấp cao, quy trình càng nhạy với lịch sử của battery. Hydrometallurgy có thể chấp nhận một dòng black mass khá hỗn hợp rồi tách nguyên tố bằng hóa học. Electrode regeneration đòi hỏi biết rõ chemistry, state of health và loại degradation của đầu vào.

Vì vậy DEER không nhất thiết thay thế các tuyến recycling hiện có. Nó có thể trở thành một nhánh ở đầu quy trình: những electrode còn lành được “sửa và dùng lại”; những phần hỏng nặng hơn được chuyển sang direct regeneration dạng bột hoặc metal recovery.

Nếu mô hình đó hoạt động, phần giá trị nhất mà recycling giữ lại sẽ không còn chỉ là cobalt, nickel hay lithium. Nó sẽ là toàn bộ công việc đã được dùng để biến những nguyên tố đó thành một electrode có thể đặt ngay vào pin.

Nguồn: Energy & Environmental Science — Direct electrode-to-electrode regeneration of end-of-life batteries via electrode–electrolyte interphase dissolution; Cornell Chronicle — Electrochemical bath recycles critical minerals in batteries; Journal of Materials Chemistry A — Direct recycling of lithium-ion battery materials: separation and regeneration.