Электромобили продвигаются как один из шагов по спасению климата нашей планеты. Однако в маркетинговых материалах речь идет о новые электромобили и в них довольно редко касаются проблем износа и старения батарей. Рост спроса на электромобили приводит к резкому росту производства литиевых батарей. Но что происходит со старыми батареями?
Поскольку мир стремится электрифицировать транспортные средства и накапливать возобновляемую энергию, возникает одна гигантская проблема: что будет со всеми старыми литиевыми батареями?
Підписуйтесь на наш Telegram.
Электрифицированное будущее гораздо ближе, чем может казаться. Ранее в этом году General Motors объявила, что планирует прекратить продажу автомобилей на жидком топливе к 2035 году. Цель Audi-остановить их производство к 2033 году, и многие другие крупные автомобильные компании следуют этому примеру.
Фактически, по данным BloombergNEF, к 2040 году две трети мировых продаж легковых автомобилей будут электрическими.
Хотя это может показаться идеальным путем к устойчивому энергоснабжению и автомобильным перевозкам, есть одна большая проблема. В настоящее время в электрических транспортных средствах и стационарных мегабатареях используются литий-ионные аккумуляторы. А литий-ионные аккумуляторы трудно перерабатывать.
По мере роста спроса на электромобили, как и прогнозируется, в индустрии аккумуляторных батарей и автомобилей появится стимул к их переработке.
Одна из причин заключается в том, что наиболее широко используемые методы утилизации батарей предыдущих технологий, таких как свинцово-кислотные батареи, плохо работают с литий-ионными батареями. Последние, как правило, крупнее, тяжелее, гораздо сложнее и даже опаснее, если их неправильно разобрать.
На обычном заводе по переработке аккумуляторов детали аккумуляторов измельчаются в порошок, а затем этот порошок либо расплавляется (пирометаллургия), либо растворяется в кислоте (гидрометаллургия).
Но литий-литиевые батареи состоят из множества различных деталей, которые могут взорваться, если их не разобрать тщательно. И даже когда литий-литиевые батареи утилизируют таким образом, полученные продукты нелегко повторно использовать.
«Нынешний метод простого измельчения всего и попытки очистить сложную смесь приводит к дорогих процессов «, — говорит Эндрю Эбботт, физический химик из Университета Лестера.
В результате переработка литий-ионных аккумуляторов обходится дороже, чем добыча большего количества лития для производства новых. Кроме того, поскольку крупномасштабные дешевые способы переработки литий-ионных аккумуляторов отстают, во всем мире перерабатывается только около 5% литий-ионных аккумуляторов. То есть большинство литий-ионных аккумуляторов просто выбрасывается.
Надежды возлагают на то, что спрос на электромобили подтолкнет переработку их батарей. Добыча и переработка лития требует огромного количества воды и энергии и связана с экологическими проблемами вблизи литиевых заводов.
Литий-ионный аккумулятор тяжелый для экологии
Нынешние недостатки в переработке литий-ионных аккумуляторов — не единственная причина, по которой они создают нагрузку на окружающую среду. Добыча различных металлов, необходимых для литий-ионных аккумуляторов, требует огромных ресурсов.
Для добычи одной тонны лития требуется 2 273 000 литров воды. На соляных равнинах Атакама в Чили добыча лития связан с сокращением растительности, повышением дневных температур и усилением засухи в районах национальных заповедников.
Таким образом, несмотря на то, что электромобили могут помочь сократить выбросы углекислого газа (CO2) в течение всего срока службы, батарея, которая их питает, начинает службу с большим воздействием на окружающую среду.
Однако, если миллионы и миллионы литий-литиевых батарей, которые выйдут из строя примерно через 10 лет использования, будут перерабатываться более эффективно, это поможет уменьшить затраты энергии. Несколько лабораторий работают над улучшением более эффективных методов переработки, чтобы в конечном итоге стандартизированный, экологически чистый способ переработки литий-ионных аккумуляторов был готов удовлетворить стремительно растущий спрос.
«Мы должны найти способы ввести его в то, что мы называем жизненным циклом, потому что литий, кобальт и никель требуют много электроэнергии и больших усилий для добычи, переработки и изготовления батарей. Мы больше не можем относиться к батареям как к одноразовым», — говорит Ширли Мэн, профессор энергетических технологий Калифорнийского университета в Сан-Диего.
Как утилизировать литий-ионные аккумуляторы
Литий-ионный аккумуляторный элемент имеет металлический катод или положительный электрод из лития и некоторой смеси элементов, которые обычно включают кобальт, никель, марганец и железо. У него также есть анод, изготовленный из графита, сепаратор и некий электролит, который является средой, которая переносит электроны между катодом и анодом.
Ионы лития, движущиеся от анода к катоду, образуют электрический ток. Металлы в катоде являются наиболее ценными частями батареи, и именно на их сохранении и восстановлении сосредоточены химики при демонтаже литий-ионной батареи.
Мэн говорит, что литиевая батарея похожа на книжную полку с множеством слоев, и ионы лития быстро движутся по каждой полке, каждый раз возвращаясь на верхнюю полку — процесс, называемый интеркаляцией.
После многих лет Книжная полка естественным образом начинает ломаться и разрушаться. Поэтому, когда такие химики, как Мэн, разбирают литий-литиевую батарею, они видят именно такую деградацию структуры и материалов.
«Мы действительно можем найти механизмы, и используя тепло или любой метод химической обработки, мы можем собрать книжную полку обратно, — говорит Мэн. — Таким образом, мы можем позволить этим переработанным и восстановленным материалам вернуться на сборочную линию на заводы для производства новых батарей».
Улучшение утилизации литий-ионных аккумуляторов и, в конечном счете, многократное использование их компонентов позволит повысить ценность уже существующих литий-ионных аккумуляторов. Вот почему ученые выступают за процесс прямой переработки, описанный Меном, потому что он может дать вторую жизнь самым ценным частям литий-ионных батарей, таким как катод и анод. Это могло бы значительно компенсировать затраты энергии, отходов и затрат, связанных с их производством.
Но разборка литий-литиевых батарей в настоящее время производится в основном вручную в лабораторных условиях, что необходимо будет изменить, если прямая переработка должна конкурировать с более традиционными методами переработки.
«В будущем потребуется больше технологий для разборки, — говорит Эбботт. — Если батарея собрана с помощью роботов, логично, что ее нужно разобрать таким же образом».
Команда Эбботта из Института Фарадея в Великобритании исследует роботизированное разборка литий-ионных аккумуляторов в рамках проекта RELIB, который специализируется на переработке и повторном использовании литий-ионных аккумуляторов.
Команда также нашла способ добиться прямой рециркуляции анода и катода с помощью ультразвукового зонда. «То, что стоматолог использует для чистки зубов, — объясняет он. — Он фокусирует ультразвук на поверхности, которая создает крошечные пузырьки, которые взрываются и снимают покрытие с поверхности». Этот процесс позволяет избежать необходимости измельчения деталей аккумулятора, что затрудняет его восстановление.
Согласно исследованиям команды Эбботта, этот метод ультразвуковой переработки может перерабатывать в 100 раз больше материала за тот же период, чем метод гидрометаллургии. Он говорит, что это также можно сделать менее чем за половину стоимости создания новой батареи из первичного материала.
Разлагающиеся батареи
Некоторые ученые выступают за отказ от литий-ионных аккумуляторов в пользу тех, которые можно производить и разбирать более экологичными способами. Джоди Латкенхаус, профессор химической инженерии Техасского университета A & M работает над батареей, изготовленной из органических веществ, которые могут разлагаться по команде.
«Многие батареи сегодня не перерабатываются из — за связанных с этим затрат энергии и рабочей силы, — говорит Луткенхаус. — Батареи, которые разлагаются по команде, могут упростить или снизить барьер для утилизации. В конце концов, эти продукты разложения могут быть восстановлены обратно в новую батарею, замкнув цикл жизненного цикла материалов».
По материалам: BBC
