A lítium akkumulátorok újrahasznosításának kihívásai

A nem megfelelően újrahasznosított lítium akkumulátorok mérgező fémeket juttathatnak a környezetbe, amelyek aztán a tüdőbe kerülve egészségügyi problémákat, például szív- és érrendszeri, valamint tüdőbetegségeket okozhatnak.

A legtöbb lítiumelemet úgy hasznosítják újra, hogy por alakúra aprítják, majd vagy olvasztják (pirometallurgia) vagy savban oldják (hidrometallurgia). Mindkét eljárás hatalmas mennyiségű energiát emészt fel, miközben üvegházhatású gázokat bocsátanak ki a környezetbe.

Az újrahasznosított katódpor porózusabb, mint a kereskedelmi forgalomban gyártott katódpor.

A katódok alkotják minden lítium-ion akkumulátor magját, és felelősek a feszültségért és a teljesítményért. A kiváló minőségű katódok előállításához az anyagoknak nagy porozitással kell rendelkezniük (a lítiumionok anód és katód közötti mozgását lehetővé tevő felület), így a porózusabb katódok nagyobb energiatárolási képességet jelentenek - egy tanulmány szerint az újrahasznosított katódpor porózusabb, mint a kereskedelmi forgalomban kapható katódpor, ezért az újrahasznosított anyagból összeállított akkumulátorok hasonló teljesítményűek, mint a szűz anyagokból készültek.

A kutatást a Nikhil Gupta által vezetett kutatók végezték a Kaliforniai Egyetemen, Irvine-ban. Korábbi munkájukra építve, amely kimutatta, hogy az újrahasznosított katódanyag felhasználásával növelhető az akkumulátorok hatékonysága és meghosszabbítható a lítium-ion akkumulátorok üzemideje, egy újszerű eljárást alkalmaztak a hagyományos módszerhez képest több mint háromszor porózus katódpor előállítására. A nyírás, az őrlés, a savas kioldás, a szemcseméret és a kémia szerinti válogatás, valamint a feldolgozás mind-mind nagy teljesítményű katódokat eredményez, amelyeket aztán folyékony elektrolitokkal kevernek és feldolgoznak, mielőtt visszakeverik őket, hogy nagy teljesítményű katódokat alkossanak, amelyek nagy teljesítményű katódokat eredményeznek, amelyek hosszabb ideig tartanak a használatban, mint az újrahasznosított forrásokból származó hagyományos gyártási módszerek.

A lítium-ion akkumulátoroknak folyékony elektrolitra van szükségük az anód és a katód közötti ionok elvezetéséhez, amelyet elektrolitnak nevezünk. Ez az elem általában nem vizes szerves oldószerekben (például propilénkarbonátban vagy etilénkarbonátok és alifás karbonátok (például dimetil-, dietil- és etil-metil-karbonátok) keverékeiben oldott szervetlen sóból áll, és alapvető szerepet játszik az akkumulátor teljesítményében. Az akkumulátor optimális teljesítménye érdekében alacsony ellenállású határfelületet kell biztosítania a hatékony akkumulátor teljesítményéhez - az elektrolit kiválasztása kulcsfontosságú az akkumulátor teljesítménye szempontjából.

A lítium akkumulátorok újrahasznosítása hagyományosan a mechanikus aprítás és beolvasztás vagy savban való feloldás volt. Sajnos ezek az eljárások túlzott mennyiségű villamos energiát igényelnek, miközben nehézkesen újrahasznosítható fémtömeg keletkezik. Ehelyett ez a kutatás a "közvetlen katód újrahasznosítást", egy energiatakarékos alternatívát javasol.

A közvetlen katód-újrahasznosítás során az akkumulátort az egyes elemeire bontják, és fizikai tulajdonságaik alapján szétválogatják. Először inert atmoszféra alatt nyírást végeznek; ezután az anyagokat szétdarabolják és finom frakciókra őrlik szétválasztási és tisztítási célokra. Ez a folyamat eltávolítja az olyan szennyeződéseket, mint az alumínium és a réz, amelyek gátolhatják a teljesítményt, valamint az átmeneti fémek ionjait, mint a Ni2+ és a Co2+ az oldatból, és csak lítiumsók és grafit marad vissza kimeneti termékként.

Olcsóbb, mint az új katódpor.

Az elektromos autókban és okostelefonokban, valamint a gyermekjátékokban, e-cigarettákban és laptopokban használt lítium-ion akkumulátorok gyakran újrahasznosíthatók; a folyamat azonban gyakran nehézkes és költséges lehet; ez sok vállalatot visszatartott attól, hogy újrahasznosító vállalkozásba kezdjen; a kutatók azonban olyan megoldásokon dolgoznak, amelyekkel az újrahasznosítás egyszerűbbé, olcsóbbá, gyorsabbá és környezetbarátabbá tehető.

A lítium akkumulátorok különböző anyagok, többek között réz és kobalt felhasználásával készülnek. Bár ezek a fémek nélkülözhetetlenek az akkumulátorok gyártásához, kitermelésük veszélyes lehet a mérgező hulladékok keletkezése miatt, ugyanakkor a bányászati folyamatok során kibocsátott üvegházhatású gázok révén hozzájárulnak az éghajlatváltozáshoz. Az akkumulátorok újrahasznosítása megoldást kínál az ilyen erőforrások iránti kereslet csökkentésére, egyúttal pedig a környezeti hatások mérséklésére.

Az újrahasznosítás segíthet megóvni értékes erőforrásainkat azáltal, hogy távol tartja őket a hulladéklerakóktól, ahol környezeti károkat okozhatnak, valamint csökkentheti a drága energiát igénylő nyersanyagok előállításához szükséges energiafelhasználást (ami hozzájárul az üvegházhatású gázok kibocsátásához), illetve segít elkerülni a kobaltot vagy más ásványi anyagokat nem biztonságos körülmények között kitermelő harmadik világbeli munkások kizsákmányolását.

A lítium-ion akkumulátorok újrahasznosításának tipikus módszere a katód kivonása érdekében az elemek aprításával és tisztításával jár. Sajnos ez költséges és nem hatékony a minőségi termékek előállítása szempontjából. Szerencsére a kutatók olyan alternatív eljárásokat fejlesztenek ki, amelyek a katódokat épségben megőrzik, így azok sértetlenül értékesíthetők; ezek sokkal kevésbé költségesek és környezetbarátok lesznek, mint hagyományos társaik.

Bár a lítiumion-akkumulátorok gyakran újrahasznosíthatók, minden egyes ciklus során a tisztaságuk kissé csökkenhet. Ezért a fogyasztóknak ajánlott, hogy keressenek egy helyi leadóhelyet a használt lítium-akkumulátoroknak - bár a mindennapi szemétbe dobáshoz elég biztonságosak lehetnek, a lítium-ion akkumulátorok káros vegyi anyagokat tartalmaznak, amelyek megrozsdásíthatják a közeli tárgyakat, ha túl sokáig hagyják őket szanaszét heverni. Ezért a biztonságos ártalmatlanítást megfelelő újrahasznosítási szolgáltatás igénybevétele vagy a gyártóval való konzultáció biztosíthatja.

Biztonságosabb, mint az új katódpor.

A lítium akkumulátorok az elektromos járművek (EV-k) és más tiszta energiát hasznosító termékek szerves részévé váltak, de felelősségteljesen kell újrahasznosítani őket, hogy elkerüljék a tűzveszélyt vagy a mérgező vegyi anyagok környezetbe jutását. Az akkumulátorok kidobása helyett az akkumulátor-újrahasznosító központokat kell igénybe venni; a kék vagy sárga újrahasznosító tartályok a feldolgozás során károsíthatják azokat, és tűzveszélyt jelenthetnek; ehelyett a hét otthoni vegyszer- és akkumulátor-újrahasznosító központ egyikében kell leadni őket.

Ezek a központok olyan termékekben található lítium akkumulátorok újrahasznosítására szakosodtak, mint például elektromos szerszámok, digitális fényképezőgépek, gyermekjátékok, e-cigaretták és laptopok. Ezenkívül biztonságos ártalmatlanítási megoldásokat kínálnak az autókban vagy otthonokban használt nagyobb wattórás akkumulátorok számára, de a kisebb wattórás akkumulátorokat nem tudják elfogadni, mivel azok túlságosan veszélyesek. Ha van ilyen nagy wattórás akkumulátorod, és szeretnéd újrahasznosítani - keresd fel a hét újrahasznosító központ egyikét!

A lítium akkumulátorok újrahasznosítása során először felaprítják, és a katódtól elválasztják a kevésbé drága alkatrészeket, például az acél akkumulátor burkolatot és az elektronikus áramköröket. A tudósok ezután kivonják az elemeket, köztük a "fekete masszát", egy nikkelből, kobaltból, alumíniumból és mangánból álló kivonatot, amely ritka és drága fémeket tartalmaz; ezt a port ezután fel lehet dolgozni, és a jobb teljesítmény érdekében friss elemekkel lehet keverni, így megmentve a ritka fémeket, amelyek egyébként kárba vesznének.

A lítium akkumulátorok újrahasznosítása egy másik nagyszerű módja a kulcsfontosságú ásványi anyagok, például a kobalt és a nikkel globális hiányának leküzdésére, amelyek időszakos ellátási nehézségek miatt veszélyeztetik az elektromos járművek hatékonyságát és élettartamát. Az újrahasznosítás az ilyen globális ásványi anyaghiányok kezelését is elősegítheti, mivel közvetlenebbül járul hozzá a globális ellátási igények kielégítéséhez.

Ez az eljárás hasonlít a szokásos pirometallurgiai technikákhoz, de kevesebb energiát és kevesebb hulladékot igényel, mint más újrahasznosítási technikák. A pirometallurgia - amely jellemzően jelentős energiát fogyaszt, miközben mérgező melléktermékeket termel - és a hidrometallurgiai módszerek (amelyek a fémek kémiai úton történő visszanyerését foglalják magukban) hatékony alternatívájaként ez a módszer nagyobb visszanyerési arányt biztosít a fémek tekintetében, mint ezek a technikák önmagukban.

Környezetbarátabb

Az akkumulátorok újrahasznosítása segíthet csökkenteni az elektromos járművek (EV-k) és a lítiumakkumulátorokat használó eszközök, például laptopok környezeti hatásait. Az újrahasznosítással megőrizhetők az értékes anyagok, megújuló energiaforrásokat biztosíthatunk és csökkenthetjük a bányászati igényeket, miközben a hulladéklerakókban keletkező hulladék mennyisége is csökken. Sajnos azonban az akkumulátorok újrahasznosítása nem mentes a kihívásoktól.

Először is, az akkumulátoroknak teljesen le kell merülniük - mivel a lítium akkumulátorok veszélyesnek bizonyulnak, ha nem függesztik fel őket - ahhoz, hogy újrahasznosíthatók legyenek. Miután készen állnak az újrahasznosításra, apró darabokra kell bontani és aprítani őket, mielőtt megolvasztják vagy feloldják őket a fémek visszanyerése érdekében - ez a folyamat levegőben szálló port termelhet, amely szennyezi a környezetet, és légúti megbetegedésekhez vezethet; a lítium veszélyes fémnek számít, ezért a gondos kezelés is kulcsfontosságú.

A brit Faraday Intézet kutatói most úttörő munkát végeznek a lítium akkumulátorok újrahasznosításának újszerű módszerével, amelyhez egy ultrahangos szondát használnak, "hasonlót ahhoz, amit a fogorvosok használnak fogtisztításhoz" - mondja Gupta. Az ultrahangot a felületekre fókuszálva apró buborékok keletkeznek, amelyek implodálnak és lerobbantják a bevonatot, lehetővé téve a jelentős pénzösszegeket érő katódok és anódok visszanyerését.

Emellett az újrahasznosítás a bányászatból származó szén-dioxid-kibocsátás csökkentésével a környezetet is kíméli. A McKinsey Intézet becslései szerint az akkumulátorok széles körű újrahasznosítása kilowattóránként 25%-tal csökkentheti a szén-dioxid-kibocsátást. Az akkumulátorok sikeres újrahasznosításához az értékes fémek katód és anód károsítása nélküli kinyerésének sikeresen kell történnie.

A lítium akkumulátorok nemesfémeket, például nikkelt és kobaltot tartalmaznak, amelyeket elektromos járművekben (EV-k) és elektronikus eszközökben egyaránt használnak, de fontos szem előtt tartani, hogy soha nem szabad a kék vagy sárga újrahasznosító kukákba helyezni őket - ezekről a tűzveszélyes anyagokról speciális újrahasznosító létesítményekben kell gondoskodni. Ha bármilyen okból újra kell hasznosítania a lítium akkumulátorokat, egyszerűen tekerje be a pólusaikat nem vezető szalaggal (elektromos, átlátszó csomagolóanyaggal vagy fóliával), mielőtt leadja a hatóság hét háztartási vegyi és újrahasznosító központjának egyikében vagy olyan kiskereskedőknél, akik elfogadják őket újrahasznosításra.