Zero-waste baterijas

Centieni pārstrādāt litija jonu akumulatorus saskaras ar virkni tehnisku un ekonomisku izaicinājumu, taču tas ir daudz izplatītāk nekā daudzi uzskata. Tomēr joprojām ir ievērojami šķēršļi, kas jāpārvar tuvākajos gados.

Litija jonu akumulatori ir kļuvuši par ierastu mūsdienu dzīves iezīmi neatkarīgi no tā, vai tie ir viedtālruņi, elektroinstrumenti, elektriskie transportlīdzekļi, velosipēdi, zobu sukas vai mājas rezerves enerģijas sistēmas. Bet nepieciešamo izejvielu, piemēram, kobalta un litija, ieguve tiek smagi kritizētu, ņemot vērā klimata krīzi, bērnu darbu raktuvēs un sliktos darba drošības standartus.

Tirgū jau ir uzstādītas miljoniem tonnu litija jonu akumulatoru, efektīvs risinājums, kā apstrādāt nolietotās baterijas un kā tikt pie izejvielām, ir pārstrāde. Tomēr izmaksu efektīvas litija jonu akumulatoru pārstrādei traucē nestandarta akumulatoru dizaini un svārstīgās izejvielu tirgus cenas, ziņo pv magazine.

Par garu – slinkums lasīt

• Baterijas ir pilnībā pārstrādājamas
• Pārstrādes uzņēmumi apstrādā aptuveni pusi no lietotajiem akumulatoriem. Otra puse, visdrīzāk, atrod otrreizējo pielietojumu
• Izejvielu augstās cenas rada pievilcīgus tirgus apstākļus pārstrādei
• Dažādie bateriju veidi traucē pārstrādei
• Jauni likumi ir nepieciešami, lai atvieglotu esošos sarežģījumus

Nav gana daudz lietoto bateriju

Pašlaik tiek lēsts, ka pasaulē ir 1,5 miljoni tonnu litija jonu akumulatoru, un paredzams, ka nākamajos piecos gados šis skaitlis pieaugs līdz 4 miljoniem tonnu – to galvenokārt noteiks pieaugošās elektroauto un stacionārās enerģijas uzglabāšanas nozares.

Daži satraucoši virsraksti liecina, ka tikai 5% litija jonu akumulatoru tiek pārstrādāti. Bet konsultāciju firmas Circular Energy Storage pētījumu direktors Hanss Ēriks Melins noraida šo informāciju. Viņš saka, ka precīzu skaitu nevar ticami noteikt, jo pastāv otrreizējie pielietojumi un trūkst rūpīgu pārskatu.

Circular Energy Storage mēģināja aprēķināt, cik akumulatoru katru gadu ir beidzies kalpošanas laiks, balstoties uz pārdošanas rādītājiem pirms 10 gadiem. Turklāt komanda ņēma vērā informāciju par pārstrādes apjomiem no visiem uzņēmumiem, kas darbojas šajā jomā visā pasaulē. 2018. gadā aptuveni 200 000 tonnu litija jonu akumulatoru bija beidzies ekspluatācijas laiks. Tajā pašā gadā tika ziņots, ka 97 000 tonnu ir pārstrādāti. Lielākais vairums tika pārstrādāti Ķīnā – aptuveni 67 000 tonnu. Melins apgalvo, ka lielākā daļa no nepārstrādātajiem akumulatoriem, iespējams, tika izmantota otrreizējos lietojumos. Piemēram, klēpjdatoru baterijas regulāri tiek lietotas portatīvajos lādētājos (powerbank).

Viens no galvenajiem iemesliem, kādēļ Melins uzskata, ka pārstrādes līmenis ir ļoti augsts, ir litija jonu akumulatoru izejvielu augstās cenas. To pārstrādei ir ekonomiskais potenciāls. Tas nozīmē, ka pārstrādes uzņēmumi ir gatavi maksāt par apstrādātajām baterijām. Kopumā akumulatoru pārstrādes jauda ir lielāka nekā pieejamie akumulatoru atkritumi, un trūkumu nevar attiecināt uz dīkstāvē esošām baterijām vai atkritumu poligoniem, apgalvo Melins. No Eiropas un Ziemeļamerikas vairums plaša patēriņa elektronikas izstrādājumu, kas satur lielāko daļu litija jonu akumulatoru, nonāk Ķīnā.

Ja jūs tirgojiet katodu, materiāla pārstrādei ir cenu priekšrocības salīdzinājumā ar neapstrādātu materiālu iegādi, bet jūs varat pārstrādāt tikai to, kas ir pieejams.

Circular Energy Storage pētījumu direktors Hanss Ēriks Melins

Pirms 15 gadiem Ķīnā neražoja gandrīz nevienu no litija jonu akumulatoriem. Šodien tur ražo apmēram divas trešdaļas no pasaules produkcijas. Ķīnas akumulatoru ražotājiem pirms 15 gadiem bija bažas par ražošanai nepieciešamo kobalta un litija iegūšanu. Šie uzņēmumi sāka pirkt nolietotas baterijas no visas pasaules, lai iegūtu izejvielas. Sākotnēji Ķīnā viss izmantotais kobalts tika iegūts no vietējās pārstrādes. Mūsdienās šis skaitlis ir samazinājies līdz aptuveni 20–30%, jo kobalta pieprasījums ir pārsniedzis nolietoto bateriju piedāvājumu.

Ne visas baterijas ir radītas vienādi

Lādējamās baterijas sastāv no trīs galvenajiem elementiem – anoda, katoda un elektrolīta. Anods tipiski ir grafīts, bet katods ir tas, kas nosaka, kā šo bateriju sauc – litija kobalta oksīda, litija dzelzs fosfāta, niķeļa kobalta mangāna vai citādi.

Kad moduļi ir izņemti no akumulatoriem, ir izvēle, vai tos sasmalcināt, kā rezultātā akumulatora materiāli nonāk sajaukumā, vai arī jāatrod automatizēta metode atsevišķu elementu izjaukšanai. Katoda ražošana no sajaukuma palielina materiālu izmaksas un prasa ievērojamu enerģijas daudzumu. Tomēr ir iespējams atgūt katodu teju sākotnējā formā. Tādējādi var apiet garus un dārgus attīrīšanas pasākumus. Tas ir izdevīgāk, jo katodi tiktu pārdoti katodu ražotājiem, lai viņi tos atkal pārstrādātu katodā. Tomēr izaicinājums ir dažādie katodi tirgū.

Mūsdienās tirgū ir vairākas litija jonu akumulatoru variācijas, no kurām katra satur dažādu daudzumu vērtīgu materiālu, un to katodi ne vienmēr ir pieprasīti. 2019. gada Nissan Leaf 40 kWh akumulators ir ar litija mangāna oksīda (LMO) katodu, bet 60 kWh ir ar niķeļa kobalta mangāna (NCM) katodu. LMO katodā ir 0 kobalta, bet NCM satur ļoti maz litija. No LMO daļas var iegūt tikai 400 $ vērtus materiālus. Turpretī no NCM akumulatora ar tādu pašu svaru var iegūt 4000 $.

Viens no plaši izplatītajiem un diezgan vienkāršajiem akumulatoru pārstrādes paņēmieniem ir bateriju sasmalcināšana un materiāla ciklēšana, sijājot un magnetizējot, un pēc tam vēl vairāk atdalot, izmantojot hidrofobitāti. Tas ļauj atgūt tērauda apvalkus, kā arī vara un alumīnija saturu. Rezultāts ir ar litiju bagāts šķīdums kopā ar pārklātajiem elektrodiem un elektrodu pulveri. Atdalot to, paliek smalks pulveris, ko sauc par “melno masu” un kas satur metālu oksīdus un oglekli. Metāla oksīdus var ķīmiski atdalīt. Taču polimēru saistvielas sarežģī pārējo procesu. To šķīdināšanas process var aizņemt vairākas stundas. Šo procesu galvenokārt izmanto, lai atgūtu alumīniju, tēraudu un elektrodu foliju, kas galvenokārt izgatavotas no vara. Tad “melno masu”, kas joprojām satur vērtīgus materiālus, bieži izmanto asfalta maisījumiem, lai gan ir arī uzņēmumi, kas iegūst vērtīgos materiālus arī no “melnās masas”.

Vēl viena iespēja ir pirometallurģija – lētāks un plaši izmantots process. Pirometalurģijas procesā akumulatorus apdedzina, lai nodedzinātu apvalkus, saistvielas un polimērus, kuriem nav nozīmes pārstrādes procesā. Akumulatora metālu oksīdi tiek reducēti līdz vara, kobalta, dzelzs un niķeļa sakausējumam. Vēlākā posmā šo sakausējumu var atdalīt, izmantojot hidrometalurģiskos procesus. Litijs, alumīnijs un mangāns tiek notverti izdedžos, no kuriem turpmākus materiālus atgūt nav ekonomiski izdevīgi un to sārņus izmanto asfalta maisījumiem. Pirometallurģijas priekšrocība ir tā, ka baterijas nav jāatver, novēršot materiālu degradāciju. Tomēr iegūtā materiāla kvalitāte un kvantitāte pirometallurģijas procesā nav ideāla.

Katodu sadalīšana

No augstāk minētajiem katoda materiālu pārstrādes un materiālu atguves procesiem hidrometalurģija ir daudz progresīvāka materiālu atguves ziņā, lai arī tā ir dārgāka un sarežģītāka. Bateriju apstrādei nepieciešams, lai tās būtu pilnībā izlādētas. Pēc tam tās jāatver nedegošu gāzu atmosfērā, piemēram, oglekļa dioksīdā vai argonā, lai izvairītos no sprādzieniem. Tad baterijas tiek mehāniski atdalītas, un dārgmetālu daļas tiek iegremdētas skābē. Visizplatītākais reaģents ir H2SO4/H2O, lai izskalotu minerālus no katoda materiāla. Kobalts, niķelis, litijs, mangāns un citi materiāli veido oksīdu, karbonātu, hidroksīdu vai sulfātu kombinācijas.

Kad metāli ir ietverti izskalotajā šķīdumā, manipulācijas ar tā pH ļauj minerālus atgūt, izmantojot vairākas reakcijas. Kobalta iegūšanai ir iespējams arī izmantot procesu, kurā elektrodu materiālus sasmalcina ar hlora savienojumiem, jo ​​tas rada ūdenī šķīstošus kobalta sāļus. Lielākā daļa pašreizējo procesu ir vērsti uz reaģentu atgūšanu, jo metāliem, kurus var iegūt, var būt pietiekami augsta tīrība jaunu katodu kombināciju atkārtotai sintezēšanai vai pilnīgi jauniem lietojumiem. Šādi procesi ļauj atgūt apmēram 70% no katoda vērtības, atkarībā no tā kobalta satura. Ja akumulatora sastāvā samazinās kobalta klātbūtne, tas ietekmē pārstrādes ekonomiku. Tāpēc tiek pārstrādāts gandrīz viss kobalts – apmēram 14’000 tonnu gadā.

Tirgus lielā mērā nosaka to, kā pozicionējas akumulatoru pārstrādes uzņēmumi. Pašlaik NCM akumulatori iegūst arvien lielāku tirgus daļu un ir sagaidāms, ka tie aizstās vecākus akumulatoru sastāvus, piemēram, litija kobalta oksīdu (LCO) vai litija dzelzs fosfātu (LFP). LFP akumulatoru pārstrādes standartu izpildei ir maza ekonomiskā vērtība, jo tie nodrošina ievērojami mazāku izejvielu vērtību.

Noslēdzot ciklu

Neskatoties uz izaicinājumiem, ko rada mainīgās akumulatoru ķīmijas, uzlabota pārstrādes prakse varētu ļaut iegūt izejmateriālus to sākotnējā formā. Bet pirms tam ir jāizstrādā akumulatora dizains, kura mērķis ir nodrošināt izmaksu ziņā efektīvu materiālu atkopšanu.

Ir skaidrs, ka pašreizējais elementu dizains padara pārstrādi ārkārtīgi sarežģītu un ne hidro-, ne pirometallurģija šobrīd nenodrošina iespējas uz pilnīgi tīru materiālu plūsmu, ko var viegli ievietot bateriju slēgtā cikla sistēmā.

Pētījuma “Recycling lithium-ion batteries from electric vehicles” galvenais autors Gevins Hārpers (Gavin Harper)

Likumdošanai arī var būt nozīme. Melins norāda, ka Eiropā pašlaik tiek izstrādāta bateriju direktīva. Viņaprāt, jaunajā projektā būtu jāiekļauj dažādas pieejamās ķīmijas, un jāņem vērā tas, ka akumulatori, visticamāk, atradīs otrreizējo pielietojumu, pirms tie tiks pārstrādāti. Kā arī ir jāpārdomā, kurā brīdī nolietotās baterijas tiek uzskatītas mazāk kā atkritumi un vairāk kā resursi.