Utfordringene ved resirkulering av litiumbatterier

Litiumbatterier som ikke resirkuleres på riktig måte, kan frigjøre giftige metaller i miljøet, som deretter kan inhaleres i lungene og forårsake helseproblemer som hjerte- og karsykdommer og lungesykdommer.

De fleste litiumbatterier resirkuleres ved at de kvernes ned til pulverform før de enten smeltes om (pyrometallurgi) eller løses opp i syre (hydrometallurgi). Begge prosessene bruker enorme mengder energi og slipper ut klimagasser i miljøet.

Resirkulert katodepulver er mer porøst enn kommersielt produsert katodepulver

Katoder er kjernen i alle litiumionebatterier, og de er ansvarlige for batteriets spenning og ytelse. For å produsere katoder av høy kvalitet må materialene ha høy porøsitet (overflateareal som gjør det mulig for litiumioner å bevege seg mellom anode og katode), slik at mer porøse katoder betyr større energilagringskapasitet - faktisk viste en studie at resirkulert katodepulver var mer porøst enn kommersielt produsert katodepulver, og at batterier som ble satt sammen av resirkulert materiale, derfor kunne ha samme ytelse som batterier som ble laget av nye materialer.

Forskningen ble utført ved University of California, Irvine, av forskere ledet av Nikhil Gupta. Med utgangspunkt i tidligere arbeid som viste at bruk av resirkulert katodemateriale kunne øke batterieffektiviteten og forlenge driftstiden til litium-ion-batterier, benyttet de en ny prosess for å produsere katodepulver som var mer enn tre ganger så porøst som den tradisjonelle metoden. Skjæring, sliping, syreutvasking, sortering etter partikkelstørrelse og kjemi og prosessering resulterer i høytytende katoder som deretter blandes med flytende elektrolytter og bearbeides før de blandes tilbake for å danne høytytende katoder som gir høytytende katoder som varer lenger i bruk sammenlignet med tradisjonelle produksjonsmetoder som brukes fra resirkulerte kilder.

Litium-ion-batterier krever en flytende elektrolytt for å lede ioner mellom anode og katode, også kalt elektrolytt. Elektrolytten består vanligvis av uorganiske salter oppløst i ikke-vandige organiske løsningsmidler som propylenkarbonat eller blandinger av etylenkarbonater med alifatiske karbonater som dimetyl-, dietyl- og etylmetylkarbonater), og dette elementet spiller en viktig rolle for batteriets ytelse. For å oppnå optimal batteriytelse må elektrolytten sikre et grensesnitt med lav motstand for effektiv batteriytelse - valg av elektrolytt er av avgjørende betydning for batteriets ytelse.

Resirkulering av litiumbatterier har tradisjonelt sett bestått i mekanisk fragmentering og nedsmelting eller oppløsning i syre. Dessverre krever disse prosessene store mengder strøm for å fungere, samtidig som de produserer en uhåndterlig masse metaller som er vanskelig å resirkulere. I stedet foreslår denne forskningen "direkte katodegjenvinning", et energibesparende alternativ.

Direkte katodegjenvinning innebærer at et batteri demonteres i enkeltelementer og sorteres basert på fysiske egenskaper. Først skjæres katoden under inert atmosfære, og deretter knuses og males materialet til fine fraksjoner for separering og rensing. Denne prosessen fjerner urenheter som aluminium og kobber, som kan hemme ytelsen, samt overgangsmetallioner som Ni2+ og Co2+ fra oppløsningen, slik at bare litiumsalter og grafitt blir igjen som utgangsprodukter.

Det er billigere enn nytt katodepulver

Litiumionbatterier som brukes i elbiler og smarttelefoner, samt barneleker, e-sigaretter og bærbare datamaskiner, kan ofte resirkuleres, men prosessen kan være tungvint og kostbar, noe som har avskrekket mange selskaper fra å starte resirkuleringsvirksomhet. Forskere jobber imidlertid med løsninger som kan gjøre resirkuleringen enklere, billigere, raskere og mer miljøvennlig.

Litiumbatterier er konstruert ved hjelp av ulike materialer, blant annet kobber og kobolt. Selv om disse metallene er essensielle i batteriproduksjonen, kan utvinningen av dem være farlig på grunn av giftig avfallsproduksjon, samtidig som de bidrar til klimaendringer ved at det slippes ut klimagasser under utvinningsprosessen. Batterigjenvinning er en løsning som kan bidra til å redusere etterspørselen etter slike ressurser, samtidig som miljøpåvirkningen reduseres.

Resirkulering kan bidra til å beskytte de verdifulle ressursene våre ved å holde dem unna deponier der de kan forårsake miljøskader, samt redusere energibruken for å produsere råmaterialer som krever dyr energi å produsere (noe som bidrar til klimagassutslipp) eller bidra til å unngå å utnytte arbeidere i den tredje verden som graver etter kobolt eller andre mineraler under utrygge forhold.

Den typiske metoden for resirkulering av litium-ion-batterier innebærer at komponentene makuleres og renses for å trekke ut katoden. Dessverre er dette både dyrt og ineffektivt når det gjelder å produsere kvalitetsprodukter. Heldigvis er forskere i ferd med å utvikle alternative prosesser som bevarer katodene intakte, slik at de kan selges som de er, og disse prosessene vil være mye billigere og mer miljøvennlige enn de tradisjonelle.

Selv om litium-ion-batterier ofte kan resirkuleres, kan hver syklus redusere renheten noe. Derfor anbefales det at forbrukerne finner et lokalt innleveringssted for brukte litiumbatterier - selv om de kan være trygge nok til å kastes i søppelkassen, inneholder litiumionbatterier skadelige kjemikalier som kan korrodere gjenstander i nærheten hvis de blir liggende for lenge. Derfor bør man bruke en egnet resirkuleringstjeneste eller rådføre seg med produsenten for å sikre trygg avhending.

Det er tryggere enn nytt katodepulver

Litiumbatterier har blitt en integrert del av elbiler og andre rene energiprodukter, men de må resirkuleres på en ansvarlig måte for å unngå at de blir brannfarlige eller lekker giftige kjemikalier ut i miljøet. I stedet for å kaste batteriene i blå eller gule resirkuleringsbøtter, som potensielt kan skade dem under behandlingen og utgjøre en brannfare, bør du i stedet levere dem på et av de syv gjenvinningssentrene for kjemikalier og batterier i hjemmet.

Disse sentrene spesialiserer seg på resirkulering av litiumbatterier som finnes i produkter som elektroverktøy, digitale kameraer, barneleker, e-sigaretter og bærbare datamaskiner. I tillegg tilbyr de trygge avhendingsløsninger for større wattbatterier som brukes i biler eller hjem, men de kan ikke ta imot mindre wattbatterier fordi de er for farlige. Hvis du eier et av disse store wattbatteriene og vil ha det resirkulert - besøk et av de sju gjenvinningssentrene!

Resirkulering av et litiumbatteri innebærer først å makulere det og skille ut mindre kostbare komponenter, som batterihus av stål og elektroniske kretser, fra katoden. Forskerne trekker deretter ut elementer, inkludert "svart masse", et ekstrakt bestående av nikkel, kobolt, aluminium og mangan som inneholder sjeldne og kostbare metaller. Dette pulveret kan deretter rekonditioneres og blandes med nye elementer for å forbedre ytelsen, og dermed spare sjeldne metaller som ellers ville ha gått til spille.

Resirkulering av litiumbatterier er en annen god måte å bekjempe den globale mangelen på viktige mineraler som kobolt og nikkel, som med jevne mellomrom fører til forsyningskriser som truer elbilenes effektivitet og levetid. Resirkulering kan også bidra til å løse slike globale mineralmangler ved å bidra til å dekke det globale forsyningsbehovet mer direkte.

Denne prosessen ligner på vanlige pyrometallurgiske teknikker, men krever mindre energi og mindre avfallsproduksjon enn andre resirkuleringsteknikker. Som et effektivt alternativ til pyrometallurgi - som vanligvis bruker mye energi og produserer giftige biprodukter - og hydrometallurgiske metoder (som innebærer utvinning av metaller på kjemisk vis), har denne metoden større utvinningsgrad for metaller enn disse teknikkene alene.

Det er mer miljøvennlig

Batterigjenvinning kan bidra til å redusere miljøpåvirkningen fra elbiler og enheter som bruker litiumbatterier, for eksempel bærbare datamaskiner. Resirkulering kan spare dyrebare materialer, gi fornybare energikilder og redusere behovet for gruvedrift, samtidig som avfallsmengden på søppelfyllinger reduseres. Dessverre er det ikke uten utfordringer å resirkulere batterier.

Først må batteriene være helt utladet - ettersom litiumbatterier er farlige hvis de ikke er utladet - for å kunne resirkuleres. Når de er klare for resirkulering, skal de brytes ned og strimles i små biter før de smeltes eller løses opp for å gjenvinne metallene - denne prosessen kan produsere luftbårent støv som forurenser omgivelsene og kan føre til luftveissykdommer; litium regnes som et farlig metall, og derfor er det også viktig å håndtere det forsiktig.

Forskere ved Faraday Institution i Storbritannia er nå i ferd med å utvikle en ny metode for resirkulering av litiumbatterier ved hjelp av en ultralydsonde "som ligner på den tannlegene bruker til tannrensing", sier Gupta. Ved å fokusere ultralyd på overflater skapes små bobler som imploderer og sprenger av belegg, noe som gjør det mulig å gjenvinne katoder og anoder som er verdt betydelige summer.

I tillegg bidrar resirkulering til miljøet ved å redusere karbonutslippene fra gruvedrift. Ifølge McKinsey-instituttets estimater kan utbredt batterigjenvinning redusere karbonutslippene med 25% per kilowattime. For at batterigjenvinning skal være vellykket, må utvinningen av verdifulle metaller skje uten å skade katoden eller anoden.

Litiumbatterier inneholder edle metaller som nikkel og kobolt som brukes i både elbiler og elektroniske enheter, men det er viktig å huske på at de aldri skal legges i blå eller gule resirkuleringsbeholdere - disse brannfarene må tas hånd om på spesialiserte resirkuleringsanlegg. Hvis du av en eller annen grunn må resirkulere litiumbatterier, pakker du bare inn polene i ikke-ledende tape (elektrisk tape, gjennomsiktig emballasje eller kanaltape) før du leverer dem på et av myndighetens syv Home Chemical and Recycling Centers eller hos en forhandler som tar imot dem til resirkulering.