Електромобілі просуваються як один з кроків по врятуванню клімату нашої планети. Проте в маркетингових матеріалах мова йде про нові електромобілі і в них досить рідко торкаються проблем зношування та старіння батарей. Зростання попиту на електромобілі призводить до різкого зростання виробництва літієвих батарей. Але що відбувається зі старими батареями?
Оскільки світ прагне електрифікувати транспортні засоби та накопичувати відновлювану енергію, виникає одна гігантська проблема: що буде з усіма старими літієвими батареями?
Підписуйтесь на наш Telegram.
Електрифіковане майбутнє набагато ближче, ніж може здаватися. Раніше цього року General Motors оголосила, що планує припинити продаж автомобілів на рідкому паливі до 2035 року. Мета Audi полягає в тому, щоб припинити їх виробництво до 2033 року, і багато інших великих автомобільних компаній дотримуються цього прикладу.
Фактично, за даними BloombergNEF, до 2040 року дві третини світових продажів легкових автомобілів будуть електричними.
Хоча це може здатися ідеальним шляхом до стійкого енергопостачання та автомобільних перевезень, є одна велика проблема. В даний час в електричних транспортних засобах та стаціонарних мегабатареях використовуються літій-іонні акумулятори. А літій-іонні акумулятори важко переробляти.
У міру зростання попиту на електромобілі, як і прогнозується, в індустрії акумуляторних батарей і автомобілів з’явиться стимул до їх переробки.
Одна з причин полягає в тому, що найбільш широко використовувані методи утилізації батарей попередніх технологій, таких як свинцево-кислотні батареї, погано працюють з літій-іонними батареями. Останні, як правило, більші, важче, набагато складніше і навіть небезпечніше, якщо їх неправильно розібрати.
На звичайному заводі з переробки акумуляторів деталі акумуляторів подрібнюються в порошок, а потім цей порошок або розплавляється (пірометалургія), або розчиняється в кислоті (гідрометалургія).
Але літій-літієві батареї складаються з безлічі різних деталей, які можуть вибухнути, якщо їх не розібрати ретельно. І навіть коли літій-літієві батареї утилізують таким чином, отримані продукти нелегко повторно використовувати.
“Нинішній метод простого подрібнення всього і спроби очистити складну суміш призводить до дорогих процесів “, – говорить Ендрю Ебботт, фізичний хімік з Університету Лестера.
В результаті переробка літій-іонних акумуляторів обходиться дорожче, ніж видобуток більшої кількості літію для виробництва нових. Крім того, оскільки великомасштабні дешеві способи переробки літій-іонних акумуляторів відстають, у всьому світі переробляється тільки близько 5% літій-іонних акумуляторів. Тобто більшість літій-іонних акумуляторів просто викидається.
Надії покладають на те, що попит на електромобілі підштовхне переробку їхніх батарей. Видобуток і переробка літію вимагає величезної кількості води і енергії і пов’язана з екологічними проблемами поблизу літієвих заводів.
Літій-іонний акумулятор важкий для екології
Нинішні недоліки в переробці літій-іонних акумуляторів – не єдина причина, по якій вони створюють навантаження на навколишнє середовище. Видобуток різних металів, необхідних для літій-іонних акумуляторів, вимагає величезних ресурсів.
Для видобутку однієї тонни літію потрібно 2 273 000 літрів води. На соляних рівнинах Атакама в Чилі видобуток літію пов’язаний зі скороченням рослинності, підвищенням денних температур і посиленням посухи в районах національних заповідників.
Таким чином, незважаючи на те, що електромобілі можуть допомогти скоротити викиди вуглекислого газу (CO2) протягом усього терміну служби, батарея, яка їх живить, починає службу з великим впливом на навколишнє середовище.
Однак, якщо мільйони і мільйони літій-літієвих батарей, які вийдуть з ладу приблизно через 10 років використання, будуть перероблятися більш ефективно, це допоможе зменшити витрати енергії. Кілька лабораторій працюють над вдосконаленням більш ефективних методів переробки, щоб в кінцевому підсумку стандартизований, екологічно чистий спосіб переробки літій-іонних акумуляторів був готовий задовольнити стрімко зростаючий попит.
“Ми повинні знайти способи ввести його в те, що ми називаємо життєвим циклом, тому що літій, кобальт і нікель вимагають багато електроенергії і великих зусиль для видобутку, переробки та виготовлення батарей. Ми більше не можемо ставитися до батарей як до одноразових”, – говорить Ширлі Мен, професор енергетичних технологій Каліфорнійського університету в Сан-Дієго.
Як утилізувати літій-іонні акумулятори
Літій-іонний акумуляторний елемент має металевий катод або позитивний електрод з літію і деякої суміші елементів, які зазвичай включають кобальт, нікель, марганець і залізо. У нього також є анод, виготовлений з графіту, сепаратор і якийсь електроліт, який є середовищем, яке переносить електрони між катодом і анодом.
Іони літію, що рухаються від анода до катода, утворюють електричний струм. Метали в катоді є найбільш цінними частинами батареї, і саме на їх збереженні і відновленні зосереджені хіміки при демонтажі літій-іонної батареї.
Мен каже, що літієва батарея схожа на книжкову полицю з безліччю шарів, і іони літію швидко рухаються по кожній полиці, кожен раз повертаючись на верхню полицю – процес, званий інтеркаляцією.
Після багатьох років Книжкова полиця природним чином починає ламатися і руйнуватися. Тому, коли такі хіміки, як Мен, розбирають літій-літієву батарею, вони бачать саме таку деградацію структури і матеріалів.
“Ми дійсно можемо знайти механізми, і використовуючи тепло або будь-який метод хімічної обробки, ми можемо зібрати книжкову полицю назад, – говорить Мен. – Таким чином, ми можемо дозволити цим переробленим і відновленим матеріалам повернутися на складальну лінію на заводи для виробництва нових батарей”.
Поліпшення утилізації літій-іонних акумуляторів і, в кінцевому рахунку, багаторазове використання їх компонентів дозволить підвищити цінність вже існуючих літій-іонних акумуляторів. Ось чому вчені виступають за процес прямої переробки, описаний Меном, – тому що він може дати друге життя найціннішим частинам літій-іонних батарей, таким як катод і анод. Це могло б значно компенсувати витрати енергії, відходів і витрат, пов’язаних з їх виробництвом.
Але розбирання літій-літієвих батарей в даний час проводиться переважно вручну в лабораторних умовах, що необхідно буде змінити, якщо пряма переробка повинна конкурувати з більш традиційними методами переробки.
“У майбутньому буде потрібно більше технологій для розбирання, – говорить Ебботт. – Якщо батарея зібрана за допомогою роботів, логічно, що її потрібно розібрати таким же чином”.
Команда Ебботта з Інституту Фарадея у Великобританії досліджує роботизоване розбирання літій-іонних акумуляторів в рамках проекту RELIB, який спеціалізується на переробці та повторному використанні літій-іонних акумуляторів.
Команда також знайшла спосіб досягти прямої переробки анода та катода за допомогою ультразвукового зонда. “Те, що стоматолог використовує для чищення зубів, – пояснює він. – Він фокусує ультразвук на поверхні, яка створює крихітні бульбашки, які вибухають і знімають покриття з поверхні”. Цей процес дозволяє уникнути необхідності подрібнення деталей акумулятора, що ускладнює його відновлення.
Згідно з дослідженнями команди Ебботта, цей метод ультразвукової переробки може переробляти в 100 разів більше матеріалу за той же період, ніж метод гідрометалургії. Він каже, що це також можна зробити менш ніж за половину вартості створення нової батареї з первинного матеріалу.
Батареї, що розкладаються
Деякі вчені виступають за відмову від літій-іонних акумуляторів на користь тих, які можна виробляти і розбирати більш екологічними способами. Джоді Латкенхаус, професор хімічної інженерії Техаського університету A & M, працює над батареєю, виготовленою з органічних речовин, які можуть розкладатися по команді.
“Багато батарей сьогодні не переробляються через пов’язані з цим витрати енергії і робочої сили, – говорить Луткенхаус. – Батареї, які розкладаються по команді, можуть спростити або знизити бар’єр для утилізації. Зрештою, ці продукти розкладання можуть бути відновлені назад у нову батарею, замкнувши цикл життєвого циклу матеріалів”.
За матеріалами: BBC
