Літієві батареї – питання без відповіді

Оскільки світ прагне електрифікувати транспортні засоби та зберігати відновлювану енергію, постає велике питання: що станеться із всіма старими літієвими батареями?

Електрифіковане майбутнє набагато ближче, ніж Ви думаєте. General Motors оголосили, що планують припинити продаж бензинових транспортних засобів до 2035 року. Мета Audi — припинити їх виробництво до 2033 року.  Багато інших великих автомобільних компаній наслідують цей приклад. Насправді, за даними BloombergNEF до 2040 року дві третини світових продажів легкових автомобілів будуть електричними, а мережеві системи в усьому світі швидко розвиваються завдяки вдосконаленню технології зберігання акумуляторів.  Це може звучати як ідеальний шлях до сталої електроенергії та подорожей, однак є одна велика проблема. В даний час літій-іонні батареї зазвичай використовуються в електромобілях, а також мегабатареях, які використовуються для зберігання енергії з відновлюваних джерел, проте такі батареї важко переробляти.

Найбільш поширені методи переробки традиційних батарей, таких як свинцево-кислотні, погано працюють з літієвими батареями. Останні, як правило, більші, важчі, набагато складніші і навіть небезпечні, якщо їх неправильно розкладати.

На заводах з переробки частини батареї подрібнюються в порошок, а потім цей порошок або розплавляється (пірометалургія) або розчиняється в кислоті (гідрометалургія).  Li-батареї складаються з безлічі різних частин, які можуть вибухати, якщо їх неправильно переробляти.  

«Поточний метод простого подрібнення та спроби очищення складної суміші є дороговартісним процесом із низькоцінними продуктами», – каже Andrew Abbott, хімік з університету Leicester. В результаті їх переробка коштує дорожче, ніж видобуток літію. Крім того, тільки близько 5% Li-батарей переробляється у всьому світі, а це означає, що більшість з них просто зникають.

Видобуток та переробка літію вимагає величезної кількості води та енергії, і це пов’язано з екологічними проблемами поблизу літієвих установок

Видобуток різних металів, необхідних для Li-батарей вимагає величезних ресурсів. Для видобутку однієї тонни літію потрібно 500 000 галонів (2 273 000 літрів) води. На солончаках Атакама в Чилі видобуток літію пов’язують із зменшенням рослинності, підвищенням денної температури та посиленням посухи в національних заповідниках. Тому, незважаючи на те, що електромобілі можуть допомогти зменшити викиди вуглекислого газу (CO2), їх акумулятори серйозно впливають на навколишнє середовище.

Ми більше не можемо ставитися до батарейок як до одноразових –Shirley Meng

Якщо мільйони літієвих батарей, які виходять з ладу, приблизно через 10 років використання будуть ефективно перероблятися, це допоможе нейтралізувати всі витрати енергії. Кілька лабораторій працюють над удосконаленням ефективних методів переробки, щоб врешті-решт стандартизований екологічно чистий спосіб переробки Li-батарей був готовий задовольняти різко зростаючий попит.

Як утилізувати літієві батареї?

Li-батареї мають металевий катод або позитивний електрод виготовлений з літію та деякої суміші елементів, які зазвичай включають кобальт, нікель, марганець та залізо. До їх складу також входить анод або електрод, який випускає електрони у зовнішній ланцюг та електроліт, який є середовищем, що транспортує електрони між катодом і анодом. Іони літію, що рухаються від анода до катода утворюють електричний струм. Метали в катоді є найціннішими частинами батареї. Це основні матеріали, які хіміки хочуть зберегти та відновити, коли піддають на переробку акумулятор.

Покращення переробки Li-батарей і можливість повторного використання їх частин додасть їм ще більшої цінності. Ось чому вчені виступають за прямий процес переробки, оскільки він може дати найважливішим частинам літій-аккумуляторів, таким як катод і анод, друге життя. Це може значно компенсувати енергію, відходи та витрати, пов’язані з їх виготовленням.

Команда Abbott’s з Інституту Фарадея у Великобританії досліджує роботизоване розбирання Li-батарей в рамках проекту ReLib, який спеціалізується на переробці та повторному використанні цих батарей. Команда також знайшла спосіб прямої переробки анода і катода за допомогою ультразвукового зонда. «Він фокусує ультразвук на поверхні, що створює крихітні бульбашки, які вибухають і виривають покриття з поверхні». Цей процес дозволяє уникнути необхідності подрібнювати частини акумулятора, що може зробити їх відновлення надзвичайно складним. Згідно з дослідженнями команди Abbott, цей ультразвуковий метод може обробити в 100 разів більше матеріалу, ніж традиційний метод гідрометалургії за одинаковий  час. Abbott вважає, що цей процес можна легко застосувати в масштабних умовах та використовувати на більших батареях на основі сітки. Наразі команда застосовує його лише до виробничого брухту, частини якого легше відокремити, оскільки вони вже звільнені від корпусу. Проте випробування роботизованої команди на розбирання наростають. «У нас є демонстраційний блок, який наразі працює на цілих електродах, і ми сподіваємося, що в наступні 18 місяців зможемо продемонструвати автоматизований процес, що працює на виробництві», — каже Abbott.

Батареї, що розкладаються

Деякі вчені виступають за відхід від Li-батарей на користь тих, які можна виробляти та розкладати більш екологічно чистими способами. Jodie Lutkenhaus, професорка хімічної інженерії Техаського університету A&M, працювала над батареєю, виготовленою з органічних речовин, які можуть руйнуватися за командою.  «Сьогодні багато батарей не переробляються через пов’язані з цим витрати на електроенергію та робочу силу», – каже Lutkenhaus. «Акумулятори, які деградують за командою, можуть спростити або знизити бар’єр для переробки. Згодом ці продукти деградації можуть бути відновлені назад у нову батарею, замикаючи життєвий цикл матеріалів».  Органічні радикальні батареї (ORB) існують з 2000-х років і функціонують за допомогою органічних матеріалів, які синтезуються для зберігання та вивільнення електронів. Команда використовує кислоту для розщеплення ORB на амінокислоти та інші побічні продукти, однак умови мають бути правильні, щоб частини розкладалися належним чином.

Наступним кроком для вчених, які просувають пряму переробку Li-батарей є робота з виробниками акумуляторів і заводами з переробки, щоб спростити процес від створення до поломки. «Ми справді заохочуємо всіх виробників елементів живлення штрих-кодувати всі батареї, щоб за допомогою роботизованих методів штучного інтелекту могли легко розбирати їх», — каже Meng. «Для того, щоб це сталося, потрібна вся сфера, щоб співпрацювати один з одним».

Li акумулятори використовуються для живлення багатьох різних пристроїв, від ноутбуків до автомобілів і електромереж, однак хімічний склад відрізняється залежно від призначення. Вчені стверджують, що заводи з переробки батарей повинні розділяти різні літієві батареї на окремі потоки, подібно до того, як сортуються різні типи пластику під час переробки, щоб процес був найбільш ефективним. 

Що стосується виробництва, виробники акумуляторів і автомобілів працюють над скороченням витрат матеріалів, необхідних для виготовлення Li батарей, щоб допомогти зменшити витрати енергії під час видобутку та відходів, які кожен акумулятор створює наприкінці свого терміну служби.  Виробники електромобілів також почали повторно використовувати та перепрофілювати власні акумулятори різними способами. Наприклад, Nissan відновлює старі автомобільні акумулятори Leaf і встановлює їх в автоматизовані керовані транспортні засоби, які привозять запчастини на свої заводи.

Ринковий попит на електромобілі вже змушує компанії в автомобільній промисловості витрачати мільярди доларів на підвищення стійкості Li-батарей. Однак Китай наразі є найбільшим виробником Li-батарей.

Поява менш складної та більш безпечної батареї, яку дешевше виготовляти та  легше переробляти в кінці терміну її служби, є остаточною відповіддю на поточну проблему екологічності електромобілів. Але поки така батарея не з’явиться, стандартизація переробки літієвих батарей є значним кроком у правильному напрямку. 

Приблизно в 2025 році, коли мільйони акумуляторів електромобілів досягнуть кінця свого початкового життєвого циклу, спрощений процес переробки буде виглядати набагато привабливішим для економіки у всьому світі. Тож, можливо, до того моменту, коли електромобілі стануть переважаючим видом транспорту, буде велика ймовірність, що їхні батареї будуть готові до наступного другого циклу.

Джерело: https://www.bbc.com/future/article/20220105-lithium-batteries-big-unanswered-question

Інформацію підготувала Іванна ЛАПЧУК (магістранка 1 курсу спеціальності 102 Хімія)

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься.