Wyzwania związane z recyklingiem baterii litowych

Baterie litowe, które nie są prawidłowo poddawane recyklingowi, mogą uwalniać toksyczne metale do środowiska, które następnie mogą być wdychane do płuc i powodować problemy zdrowotne, takie jak choroby układu krążenia i płuc.

Większość baterii litowych jest poddawana recyklingowi poprzez rozdrabnianie ich do postaci proszku, a następnie wytapianie (pirometalurgia) lub rozpuszczanie w kwasie (hydrometalurgia). Oba procesy zużywają ogromne ilości energii, emitując jednocześnie gazy cieplarniane do środowiska.

Proszek katodowy z recyklingu jest bardziej porowaty niż proszek katodowy produkowany komercyjnie

Katody stanowią rdzeń każdego akumulatora litowo-jonowego, odpowiadając za jego napięcie i wydajność. Aby wyprodukować wysokiej jakości katody, materiały muszą mieć wysoką porowatość (powierzchnię umożliwiającą jonom litu przemieszczanie się między anodą a katodą), więc bardziej porowate katody oznaczają większe możliwości magazynowania energii - w rzeczywistości jedno z badań wykazało, że proszek katodowy pochodzący z recyklingu był bardziej porowaty niż proszek katodowy produkowany komercyjnie, dzięki czemu baterie montowane przy użyciu materiałów pochodzących z recyklingu miały podobną wydajność jak te wykonane z materiałów pierwotnych.

Badania zostały przeprowadzone na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine przez naukowców kierowanych przez Nikhila Guptę. Opierając się na wcześniejszych pracach, które wykazały, że wykorzystanie materiału katodowego z recyklingu może zwiększyć wydajność baterii i wydłużyć czas pracy baterii litowo-jonowych, wykorzystali oni nowatorski proces do produkcji proszku katodowego, który był ponad trzykrotnie bardziej porowaty niż jego tradycyjna metoda. Ścinanie, mielenie, ługowanie kwasem, sortowanie według wielkości cząstek i chemii oraz przetwarzanie - wszystko to skutkuje wysokowydajnymi katodami, które są następnie mieszane z ciekłymi elektrolitami i przetwarzane przed ponownym zmieszaniem w celu utworzenia wysokowydajnych katod, które zapewniają dłuższą żywotność w porównaniu z tradycyjnymi metodami produkcji stosowanymi ze źródeł pochodzących z recyklingu.

Akumulatory litowo-jonowe wymagają ciekłego elektrolitu do przewodzenia jonów między anodą a katodą, zwanego elektrolitem. Zwykle składa się on z soli nieorganicznych rozpuszczonych w niewodnych rozpuszczalnikach organicznych, takich jak węglan propylenu lub mieszaniny węglanów etylenu z węglanami alifatycznymi, takimi jak węglany dimetylu, dietylu i etylu), element ten odgrywa zasadniczą rolę w wydajności baterii. Aby zapewnić optymalną wydajność akumulatora, musi on zapewniać interfejs o niskiej rezystancji - wybór elektrolitu ma kluczowe znaczenie dla wydajności akumulatora.

Recykling baterii litowych tradycyjnie wiązał się z ich mechanicznym rozdrabnianiem i topieniem lub rozpuszczaniem w kwasie. Niestety, procesy te wymagają nadmiernych ilości energii elektrycznej do działania, a jednocześnie wytwarzają nieporęczną masę metali, którą trudno poddać recyklingowi. Zamiast tego, niniejsze badania proponują "bezpośredni recykling katod", energooszczędną alternatywę.

Bezpośredni recykling katod polega na demontażu baterii na poszczególne elementy i sortowaniu ich w oparciu o ich właściwości fizyczne. Po pierwsze, ścinanie odbywa się w atmosferze obojętnej; następnie materiały są kruszone i mielone na drobne frakcje w celu oddzielenia i oczyszczenia. Proces ten usuwa zanieczyszczenia, takie jak aluminium i miedź, które mogą hamować wydajność, a także jony metali przejściowych, takie jak Ni2+ i Co2+ z roztworu, pozostawiając jedynie sole litu i grafit jako produkty wyjściowe.

Jest tańszy niż nowy proszek katodowy

Baterie litowo-jonowe używane w samochodach elektrycznych i smartfonach, a także zabawki dla dzieci, e-papierosy i laptopy często można poddać recyklingowi; jednak proces ten może być często uciążliwy i kosztowny; zniechęciło to wiele firm do rozpoczęcia działalności w zakresie recyklingu; jednak naukowcy pracują nad rozwiązaniami, które sprawią, że recykling będzie prostszy, tańszy, szybszy i bardziej przyjazny dla środowiska.

Baterie litowe są zbudowane z różnych materiałów, w tym miedzi i kobaltu. Chociaż metale te są niezbędne w produkcji baterii, ich wydobycie może być niebezpieczne ze względu na produkcję toksycznych odpadów, a także przyczyniać się do zmian klimatycznych poprzez emisję gazów cieplarnianych podczas procesów wydobywczych. Recykling baterii oferuje jedno z rozwiązań, które pomaga zmniejszyć zapotrzebowanie na takie zasoby, jednocześnie łagodząc ich wpływ na środowisko.

Recykling może pomóc chronić nasze cenne zasoby, zapobiegając ich składowaniu na wysypiskach śmieci, gdzie mogłyby szkodzić środowisku, a także zmniejszyć zużycie energii do produkcji surowców wymagających drogiej energii (co przyczynia się do emisji gazów cieplarnianych) lub pomóc uniknąć wykorzystywania pracowników z krajów trzeciego świata wydobywających kobalt lub inne minerały w niebezpiecznych warunkach.

Typowa metoda recyklingu akumulatorów litowo-jonowych polega na rozdrabnianiu i oczyszczaniu ich komponentów w celu wyodrębnienia katody. Niestety, jest to zarówno kosztowne, jak i nieskuteczne w wytwarzaniu produktów wysokiej jakości. Na szczęście naukowcy opracowują alternatywne procesy, które zachowują katody w nienaruszonym stanie, dzięki czemu można je sprzedawać w nienaruszonym stanie; będą one znacznie mniej kosztowne i przyjazne dla środowiska niż ich tradycyjne odpowiedniki.

Chociaż baterie litowo-jonowe często można poddać recyklingowi, każdy cykl może nieznacznie zmniejszyć ich czystość. W związku z tym zaleca się konsumentom znalezienie lokalnego punktu zbiórki zużytych baterii litowych - chociaż mogą one być wystarczająco bezpieczne do codziennej utylizacji w koszu na śmieci, baterie litowo-jonowe zawierają szkodliwe chemikalia, które mogą powodować korozję pobliskich przedmiotów, jeśli będą leżeć zbyt długo. Dlatego też skorzystanie z odpowiedniej usługi recyklingu lub skonsultowanie się z producentem w celu uzyskania instrukcji może zapewnić bezpieczną utylizację.

Jest bezpieczniejszy niż nowy proszek katodowy

Baterie litowe stały się integralnym elementem pojazdów elektrycznych (EV) i innych produktów czystej energii, ale muszą być poddawane recyklingowi w sposób odpowiedzialny, aby uniknąć zagrożenia pożarowego lub wycieku toksycznych chemikaliów do środowiska. Zamiast wyrzucać baterie, należy korzystać z centrów recyklingu baterii; niebieskie lub żółte pojemniki do recyklingu mogą potencjalnie uszkodzić je podczas przetwarzania i stwarzać ryzyko pożaru; zamiast tego należy je porzucić w jednym z siedmiu domowych centrów recyklingu chemikaliów i baterii.

Centra te specjalizują się w recyklingu baterii litowych znajdujących się w produktach takich jak elektronarzędzia, aparaty cyfrowe, zabawki dla dzieci, e-papierosy i laptopy. Ponadto oferują one bezpieczne rozwiązania w zakresie utylizacji większych akumulatorów watogodzinowych używanych w samochodach lub domach, ale nie mogą przyjmować mniejszych akumulatorów watogodzinowych, ponieważ są one zbyt niebezpieczne. Jeśli posiadasz jedną z tych dużych baterii watogodzinowych i chcesz ją poddać recyklingowi - odwiedź jedno z siedmiu centrów recyklingu!

Recykling baterii litowej polega najpierw na jej rozdrobnieniu i oddzieleniu od katody tańszych komponentów, takich jak stalowa obudowa baterii i obwody elektroniczne. Następnie naukowcy wyodrębniają pierwiastki, w tym "czarną masę", ekstrakt składający się z niklu, kobaltu, aluminium i manganu, który zawiera rzadkie i drogie metale; proszek ten może być następnie regenerowany i mieszany ze świeżymi pierwiastkami w celu poprawy wydajności, oszczędzając w ten sposób rzadkie metale, które w przeciwnym razie zostałyby zmarnowane.

Recykling baterii litowych to kolejny świetny sposób na walkę z globalnym niedoborem kluczowych minerałów, takich jak kobalt i nikiel, których okresowe dostawy zagrażają wydajności i żywotności pojazdów elektrycznych. Recykling może również pomóc w radzeniu sobie z globalnymi niedoborami minerałów, pomagając w bardziej bezpośrednim zaspokajaniu globalnego zapotrzebowania na dostawy.

Proces ten przypomina standardowe techniki pirometalurgiczne, ale wymaga mniej energii i produkcji odpadów niż inne techniki recyklingu. Jako skuteczna alternatywa dla pirometalurgii - która zwykle zużywa znaczną ilość energii, wytwarzając toksyczne produkty uboczne - i metod hydrometalurgii (które obejmują odzyskiwanie metali za pomocą środków chemicznych), metoda ta ma wyższe wskaźniki odzysku metali niż same te techniki.

Jest bardziej przyjazny dla środowiska

Recykling baterii może pomóc zmniejszyć wpływ na środowisko związany z pojazdami elektrycznymi (EV) i urządzeniami wykorzystującymi baterie litowe, takimi jak laptopy. Recykling może chronić cenne materiały, zapewniać odnawialne źródła energii i zmniejszać zapotrzebowanie na wydobycie, jednocześnie zmniejszając ilość odpadów na wysypiskach. Niestety, recykling baterii nie jest pozbawiony wyzwań.

Po pierwsze, baterie muszą być całkowicie rozładowane - ponieważ baterie litowe są niebezpieczne, jeśli pozostaną nierozładowane - w celu poddania ich recyklingowi. Po przygotowaniu do recyklingu należy je rozbić i rozdrobnić na małe kawałki przed stopieniem lub rozpuszczeniem w celu odzyskania metali - proces ten może wytwarzać pył unoszący się w powietrzu, który zanieczyszcza otaczające środowisko i może powodować choroby układu oddechowego; lit jest uważany za metal niebezpieczny, dlatego też ostrożne obchodzenie się z nim jest również kluczowe.

Naukowcy z Faraday Institution w Wielkiej Brytanii są obecnie pionierami w nowatorskiej metodzie recyklingu baterii litowych, wykorzystując sondę ultradźwiękową "podobną do tej, której dentyści używają do czyszczenia zębów", mówi Gupta. Skupienie ultradźwięków na powierzchni tworzy małe pęcherzyki, które implodują i usuwają powłokę, umożliwiając odzyskanie katod i anod, które są warte znaczne sumy pieniędzy.

Dodatkowo, recykling pomaga środowisku poprzez redukcję emisji dwutlenku węgla z wydobycia. Według szacunków Instytutu McKinsey, powszechny recykling baterii może zmniejszyć emisję dwutlenku węgla o 25% na kilowatogodzinę. Aby recykling baterii zakończył się sukcesem, musi dojść do wydobycia cennych metali bez uszkodzenia katody lub anody.

Baterie litowe zawierają metale szlachetne, takie jak nikiel i kobalt, które są używane zarówno w pojazdach elektrycznych (EV), jak i urządzeniach elektronicznych, ale ważne jest, aby pamiętać, że nigdy nie należy ich umieszczać w niebieskich lub żółtych pojemnikach do recyklingu - te zagrożenia pożarowe muszą być usuwane w wyspecjalizowanych zakładach recyklingu. Jeśli z jakiegokolwiek powodu musisz poddać recyklingowi baterie litowe, po prostu owiń ich zaciski nieprzewodzącą taśmą (elektryczną, przezroczystą lub kanalikową) przed oddaniem ich do jednego z siedmiu domowych centrów chemii i recyklingu Urzędu lub sprzedawców detalicznych, którzy przyjmują je do recyklingu.