Litiumparistojen kierrätyksen haasteet

Litiumparistot, joita ei kierrätetä asianmukaisesti, voivat vapauttaa ympäristöön myrkyllisiä metalleja, jotka voivat joutua hengitettynä keuhkoihin ja aiheuttaa terveysongelmia, kuten sydän- ja verisuonitauteja ja keuhkosairauksia.

Suurin osa litiumparistoista kierrätetään murskaamalla ne jauheeksi ennen kuin ne joko sulatetaan (pyrometallurgia) tai liuotetaan happoon (hydrometallurgia). Molemmat prosessit kuluttavat valtavia määriä energiaa ja päästävät samalla kasvihuonekaasuja ympäristöön.

Kierrätetty katodijauhe on huokoisempaa kuin kaupallisesti valmistettu katodijauhe.

Katodit ovat jokaisen litiumioniakun ytimessä, ja ne vastaavat sen jännitteestä ja suorituskyvystä. Laadukkaiden katodien tuottamiseksi materiaaleilla on oltava suuri huokoisuus (pinta-ala, jonka avulla litiumionit voivat liikkua anodin ja katodin välillä), joten huokoisemmat katodit merkitsevät suurempaa energiavarastointikapasiteettia. Eräässä tutkimuksessa havaittiin, että kierrätetty katodijauhe oli huokoisempaa kuin kaupallisesti valmistettu katodijauhe, minkä vuoksi kierrätysmateriaalia käyttäen kootut akut olivat suorituskyvyltään samankaltaisia kuin neitseellisistä materiaaleista valmistetut akut.

Nikhil Guptan johtamat tutkijat tekivät tutkimuksen Kalifornian yliopistossa Irvinessä. Aiempaan työhön perustuen, joka osoitti, että kierrätetyn katodimateriaalin käyttäminen voisi lisätä akun tehokkuutta ja pidentää litiumioniakkujen käyttöaikaa, he käyttivät uudenlaista prosessia tuottaakseen katodijauhetta, joka oli yli kolme kertaa huokoisempaa kuin perinteisellä menetelmällä. Leikkaaminen, jauhaminen, happoliuotus, lajittelu hiukkaskoon ja kemian mukaan sekä käsittely johtavat kaikki korkean suorituskyvyn katodeihin, jotka sitten sekoitetaan nestemäisiin elektrolyytteihin ja käsitellään ennen kuin ne sekoitetaan takaisin, jotta saadaan aikaan korkean suorituskyvyn katodit, jotka kestävät käytössä pidempään verrattuna perinteisiin tuotantomenetelmiin, joita käytetään kierrätyslähteistä.

Litiumioniakut tarvitsevat nestemäistä elektrolyyttiä, joka johtaa ionit anodin ja katodin välillä. Tämä elementti koostuu yleensä epäorgaanisesta suolasta, joka on liuotettu ei-vesipitoisiin orgaanisiin liuottimiin, kuten propyleenikarbonaattiin tai eteenikarbonaattien ja alifaattisten karbonaattien, kuten dimetyyli-, dietyyli- ja etyylimetyylikarbonaattien, seoksiin, ja sillä on olennainen merkitys akun suorituskyvylle. Jotta akku toimisi optimaalisesti, sen on taattava matalaresistanssinen rajapinta, jotta akku toimisi tehokkaasti - elektrolyytin valinta on akun suorituskyvyn kannalta avainasemassa.

Litiumparistojen kierrätys on perinteisesti edellyttänyt niiden mekaanista murskaamista ja sulattamista tai liuottamista happoon. Valitettavasti nämä prosessit vaativat liikaa sähköä ja tuottavat samalla raskasta metallimassaa, jota on vaikea kierrättää. Sen sijaan tässä tutkimuksessa ehdotetaan "suoraa katodin kierrätystä", joka on energiaa säästävä vaihtoehto.

Suorassa katodin kierrätyksessä akku puretaan yksittäisiin elementteihin ja lajitellaan ne fyysisten ominaisuuksiensa perusteella. Ensin suoritetaan leikkaus inertissä ilmakehässä, minkä jälkeen materiaalit murskataan ja jauhetaan hienojakoisiksi jakeiksi erottelua ja puhdistusta varten. Prosessi poistaa liuoksesta epäpuhtaudet, kuten alumiinin ja kuparin, jotka voivat heikentää suorituskykyä, sekä siirtymämetalli-ionit, kuten Ni2+ ja Co2+, ja jäljelle jäävät vain litiumsuolat ja grafiitti.

Se on halvempaa kuin uusi katodijauhe.

Sähköautoissa ja älypuhelimissa sekä lasten leluissa, sähkösavukkeissa ja kannettavissa tietokoneissa käytettävät litiumioniakut voidaan usein kierrättää, mutta prosessi voi olla usein hankala ja kallis, mikä on saanut monet yritykset luopumaan kierrätysliiketoiminnan aloittamisesta. Tutkijat työskentelevät kuitenkin ratkaisujen parissa, jotta kierrätyksestä tulisi yksinkertaisempaa, halvempaa, nopeampaa ja ympäristöystävällisempää.

Litiumparistojen valmistuksessa käytetään erilaisia materiaaleja, kuten kuparia ja kobolttia. Vaikka nämä metallit ovat välttämättömiä akkujen tuotannossa, niiden louhinta voi olla vaarallista myrkyllisten jätteiden tuotannon vuoksi, ja ne myös edistävät ilmastonmuutosta päästämällä kasvihuonekaasuja kaivostoiminnan aikana. Akkujen kierrätys tarjoaa yhden ratkaisun, jolla voidaan vähentää tällaisten resurssien kysyntää ja samalla lieventää ympäristövaikutuksia.

Kierrätys voi auttaa suojelemaan arvokkaita luonnonvarojamme pitämällä ne poissa kaatopaikoilta, joilla ne voisivat aiheuttaa ympäristöhaittoja, sekä vähentämällä energiankulutusta raaka-aineiden tuottamiseen, joiden tuottaminen vaatii kallista energiaa (mikä lisää kasvihuonekaasupäästöjä), tai auttamalla välttämään koboltin tai muiden mineraalien kaivamiseen turvattomissa olosuhteissa käytettävien kolmannen maailman työntekijöiden hyväksikäyttöä.

Tyypillinen litiumioniakkujen kierrätysmenetelmä edellyttää akun osien murskaamista ja puhdistamista katodin erottamiseksi. Valitettavasti tämä on sekä kallista että tehotonta laadukkaiden tuotteiden tuottamiseksi. Onneksi tutkijat kehittävät parhaillaan vaihtoehtoisia prosesseja, joissa katodi säilyy ehjänä, jotta se voidaan myydä ehjänä; nämä prosessit ovat paljon edullisempia ja ympäristöystävällisempiä kuin perinteiset vastaavat prosessit.

Vaikka litiumioniakut voidaan usein kierrättää, jokainen kierros saattaa vähentää niiden puhtautta hieman. Vaikka litiumioniakut saattavat olla riittävän turvallisia jokapäiväiseen roskakoriin, ne sisältävät haitallisia kemikaaleja, jotka voivat syövyttää lähellä olevia esineitä, jos ne jätetään lojumaan liian pitkäksi aikaa. Siksi turvallisen hävittämisen voi varmistaa käyttämällä asianmukaista kierrätyspalvelua tai kysymällä ohjeita valmistajalta.

Se on turvallisempaa kuin uusi katodijauhe.

Litiumakuista on tullut olennainen osa sähköajoneuvoja ja muita puhtaan energian tuotteita, mutta ne on kierrätettävä vastuullisesti, jotta niistä ei aiheudu tulipalovaaraa tai myrkyllisiä kemikaaleja pääse ympäristöön. Akkujen kierrätyskeskuksia tulisi käyttää akkujen poisheittämisen sijasta; siniset tai keltaiset kierrätysastiat voivat mahdollisesti vahingoittaa niitä käsittelyn aikana ja aiheuttaa tulipaloriskin; sen sijaan ne tulisi jättää johonkin seitsemästä kotikemikaalien ja akkujen kierrätyskeskuksesta.

Nämä keskukset ovat erikoistuneet kierrättämään litiumparistoja, joita on esimerkiksi sähkötyökaluissa, digitaalikameroissa, lasten leluissa, sähkösavukkeissa ja kannettavissa tietokoneissa. Lisäksi ne tarjoavat turvallisia hävittämisratkaisuja autoissa tai kodeissa käytettäville suuremmille wattituntia käyttäville akuille, mutta eivät voi ottaa vastaan pienempiä wattituntia käyttäviä akkuja, koska ne ovat liian vaarallisia. Jos omistat yhden näistä suurista wattitunnin akuista ja haluat sen kierrätettäväksi - käy yhdessä seitsemästä kierrätyskeskuksesta!

Litiumpariston kierrättäminen edellyttää, että se ensin murskataan ja katodista erotetaan vähemmän kalliit komponentit, kuten teräksinen paristokotelo ja elektroniikkapiirit. Tämän jälkeen tutkijat irrottavat alkuaineita, kuten nikkelistä, koboltista, alumiinista ja mangaanista koostuvaa "mustaa massaa", joka sisältää harvinaisia ja kalliita metalleja; tämä jauhe voidaan sitten kunnostaa ja sekoittaa tuoreisiin alkuaineisiin suorituskyvyn parantamiseksi, jolloin säästetään harvinaisia metalleja, jotka muuten olisivat menneet hukkaan.

Litiumakkujen kierrättäminen on toinen hyvä tapa torjua maailmanlaajuista puutetta keskeisistä mineraaleista, kuten koboltista ja nikkelistä, joiden säännölliset toimitusvaikeudet uhkaavat sähköautojen tehokkuutta ja käyttöikää. Kierrätys voi myös auttaa puuttumaan tällaiseen maailmanlaajuiseen mineraalipulaan, koska se auttaa vastaamaan suoremmin maailmanlaajuisiin toimitusvaatimuksiin.

Prosessi muistuttaa tavanomaisia pyrometallurgisia tekniikoita, mutta se vaatii vähemmän energiaa ja jätettä kuin muut kierrätystekniikat. Tämä menetelmä on tehokas vaihtoehto pyrometallurgialle - joka yleensä kuluttaa paljon energiaa ja tuottaa myrkyllisiä sivutuotteita - ja hydrometallurgialle (jossa metallit otetaan talteen kemiallisin keinoin), ja sen metallien talteenottoasteet ovat suuremmat kuin pelkillä näillä tekniikoilla.

Se on ympäristöystävällisempi

Akkujen kierrätys voi auttaa vähentämään sähköajoneuvoihin ja litiumakkuja käyttäviin laitteisiin, kuten kannettaviin tietokoneisiin, liittyviä ympäristövaikutuksia. Kierrättämällä voidaan säästää arvokkaita materiaaleja, tuottaa uusiutuvia energialähteitä ja vähentää kaivostoiminnan tarvetta sekä samalla vähentää kaatopaikkajätteen määrää. Valitettavasti akkujen kierrättäminen ei kuitenkaan ole täysin ongelmatonta.

Ensinnäkin akut on tyhjennettävä kokonaan, sillä litiumparistot ovat vaarallisia, jos ne jätetään jännittämättömiksi, jotta ne voidaan kierrättää. Kun ne ovat valmiita kierrätykseen, ne on hajotettava ja murskattava pieniksi paloiksi ennen sulattamista tai liuottamista metallien talteenottamiseksi - tämä prosessi voi tuottaa ilmassa olevaa pölyä, joka saastuttaa ympäristöä ja voi aiheuttaa hengityselinsairauksia; litiumia pidetään vaarallisena metallina, joten sen varovainen käsittely on myös avainasemassa.

Guptan mukaan brittiläisen Faraday Institutionin tutkijat ovat nyt pioneereja uudessa litiumparistojen kierrätysmenetelmässä, jossa käytetään ultraäänisondia, joka on "samanlainen kuin hammaslääkäreiden hampaiden puhdistuksessa käyttämä". Ultraäänen kohdistaminen pintoihin synnyttää pieniä kuplia, jotka implodoituvat ja räjäyttävät päällysteen pois, mikä mahdollistaa huomattavan arvokkaiden katodien ja anodien talteenoton.

Lisäksi kierrätys auttaa ympäristöä vähentämällä kaivostoiminnan hiilidioksidipäästöjä. McKinsey-instituutin arvioiden mukaan akkujen laajamittainen kierrätys voisi vähentää hiilidioksidipäästöjä 25% kilowattituntia kohden. Jotta akkujen kierrätys onnistuisi, arvokkaiden metallien talteenoton on onnistuttava katodia tai anodia vahingoittamatta.

Litiumakut sisältävät jalometalleja, kuten nikkeliä ja kobolttia, joita käytetään sekä sähköajoneuvoissa että elektroniikkalaitteissa, mutta on tärkeää muistaa, ettei niitä saa koskaan laittaa sinisiin tai keltaisiin kierrätysastioihin - nämä palovaarat on käsiteltävä erikoistuneissa kierrätyslaitoksissa. Jos joudut kierrättämään litiumparistot jostain syystä, kääri niiden navat ei-johtavaan teippiin (sähköteippiin, kirkkaaseen pakkausteippiin tai ilmastointiteippiin) ennen kuin jätät ne johonkin viranomaisen seitsemästä kotikemikaali- ja kierrätyskeskuksesta tai jälleenmyyjiin, jotka ottavat ne vastaan kierrätykseen.