Bateriile cu litiu conțin elemente prețioase, precum cobaltul și nichelul, pe care producătorii doresc să le recicleze pentru a le reutiliza, întrucât acest lucru reduce necesarul de extracție și prelucrare, diminuând astfel costurile și emisiile.
Unele companii se ocupă deja de reciclarea bateriilor. De obicei, acestea mărunțesc bateriile uzate până se obține o masă neagră, pe care apoi o topesc sau o dizolvă pentru a extrage metalele din ea.
Măcinarea mecanică
Pe măsură ce bateriile cu litiu au devenit din ce în ce mai răspândite în tehnologiile moderne, reciclarea acestora a crescut și ea. Acest lucru este deosebit de important, având în vedere că componentele lor sunt extrem de valoroase și limitate. Reciclarea celulelor bateriilor cu litiu contribuie la reducerea deșeurilor, conservând în același timp energia care, altfel, ar fi fost consumată pentru producerea unor baterii noi; în plus, reciclarea ne permite să reutilizăm materii prime valoroase, reducând astfel cererea de materii prime noi.
O metodă de reciclare a bateriilor implică zdrobirea mecanică. Acest proces seamănă cu activitatea minieră, în cadrul căreia materiile prime sunt sparte în bucăți mici pentru prelucrarea ulterioară; acest lucru se poate realiza fie manual, fie cu ajutorul unor utilaje specializate. Odată zdrobite, fragmentele rezultate din reciclarea bateriilor pot fi supuse unor procese de separare chimică, separare mecanică și/sau topire, înainte de a fi repuse în circulație.
Măcinarea reprezintă o etapă esențială a procesului de reciclare a bateriilor litiu-ion și poate fi realizată prin metode de măcinare umedă sau uscată. Măcinarea umedă se poate dovedi mai dificilă, deoarece umiditatea determină componentele diverse să se lipească între ele mai strâns decât ar fi de dorit, în timp ce măcinarea uscată permite punerea în evidență a caracteristicilor de măcinare selectivă ale bateriilor cu litiu uzate, eliberând materialele active ale catodului de pe folia de aluminiu a colectorului, pentru a facilita procesele ulterioare de recuperare.
Sortarea este un alt element cheie al procesului de reciclare a bateriilor. Sortarea poate contribui la îndepărtarea unor componente din plastic prezente în interiorul bateriilor, izolând în același timp componentele metalice; astfel, primele pot fi reutilizate, iar cele din urmă pot fi folosite la fabricarea unor baterii noi cu litiu. Sortarea se realizează adesea cu ajutorul magneților, care ajută la separarea părților individuale din baterii.
Ca parte a etapei finale a procesului de reciclare a bateriilor, are loc separarea mecanică. Aceasta include cernerea cu aer, zdrobirea și cernerea. Această metodă prezintă numeroase avantaje, cum ar fi evitarea temperaturilor ridicate, precum și recuperarea unora dintre cele mai scumpe componente ale bateriilor, precum nichelul și cobaltul.
Prelucrarea hidrometalurgică
În majoritatea instalațiilor de reciclare a bateriilor cu litiu, celulele uzate sunt mai întâi sortate în funcție de caracteristicile lor chimice și fizice, înainte de a fi trimise către o instalație de prelucrare hidrometalurgică pentru recuperarea metalelor sub formă ionică din masa neagră a materialelor catodice și a anodilor de grafit. Metalele sunt separate cu ajutorul unor acizi puternici sau agenți oxidanți, transformându-se în oxizi, sulfați sau hidroxizi, care sunt ulterior revândute producătorilor pentru a fi reutilizate în baterii noi.
Unele întreprinderi de reciclare a bateriilor utilizează, de asemenea, procesul cunoscut sub denumirea de “pirometalurgie”. Acesta presupune încălzirea bateriilor uzate într-un cuptor la 1.500 °C timp de trei până la patru ore, pentru a arde cea mai mare parte a materialelor pe bază de carbon și a produce aliaje metalice mixte și zgură compusă din cupru, nichel, aluminiu, mangan și cobalt. Din păcate, această metodă necesită un consum semnificativ de energie, recuperând în același timp doar un procent mic din metalele valoroase conținute de baterii.
Hidrometalurgia reprezintă o abordare inovatoare în domeniul reciclării bateriilor, care utilizează apa în locul temperaturilor ridicate pentru a reduce dimensiunile ionilor metalici prin dizolvarea acestora în acid, urmată de extragerea lor din soluție. Hidrometalurgia prezintă numeroase avantaje atunci când este utilizată în procesul de reciclare a bateriilor – consumul de energie este mai redus în comparație atât cu pirometalurgia, cât și cu metodele de zdrobire mecanică, iar această tehnologie este adecvată pentru practic orice tip de celulă sau compoziție chimică.
Northvolt și Redwood Materials au strâns miliarde de la investitori atât publici, cât și privați pentru a construi mari fabrici de reciclare a bateriilor în Nevada și în Europa, nu doar în scopul obținerii de profit, ci și pentru a minimiza impactul asupra mediului prin reducerea emisiilor de carbon, precum și prin reducerea costurilor în cadrul proceselor de recuperare.
Biolixivierea, care utilizează produsele metabolice ale microorganismelor pentru a dizolva deșeurile provenite din baterii, reprezintă o altă abordare promițătoare atât pentru reducerea costurilor, cât și pentru creșterea ratelor de recuperare. Cercetătorii de la Universitatea din California au utilizat bacteriile chemolitotrofe Acidithiobacillus ferrooxidans pentru a extrage materialul catodic LiCoO₂ uzat din bateriile cu litiu; testele lor au arătat că acestea au produs acid sulfuric și ioni de fier, care au putut fi apoi extrași din deșeuri în scopul recuperării.
Reacții chimice
Levigatul, procesul prin care apa de ploaie se filtrează prin deșeuri și acidifică solul, otrăvind flora și poluând apele subterane, trebuie prevenit în timpul reciclării bateriilor; pentru a reuși acest lucru, firmele de reciclare trebuie să se asigure că bateriile au fost complet descărcate înainte de a intra în procesul de reciclare; în caz contrar, substanțele chimice și metalele conținute în celulele acestora pot ajunge în mediu și pot pune în pericol flora și resursele de apă. Pentru a combate efectele levigatului, firmele de reciclare trebuie să se asigure că bateriile au fost complet descărcate înainte de a fi reciclate; în caz contrar, substanțele chimice și metalele ar putea să se scurgă din celule și să polueze atât ecosistemele, cât și sursele de apă subterană. Pentru a împiedica apariția levigatului, operatorii de reciclare trebuie să se asigure că bateriile au fost complet descărcate înainte de a intra în procesele de reciclare, pentru a minimiza impactul negativ asupra mediului și a garanta că nu apar riscuri ecologice în timpul proceselor de reciclare – în caz contrar, substanțele chimice conținute în celule se pot scurge în mediu prin scurgeri în cursurile de apă, provocând efectele levigatului, otrăvind flora și poluând apele subterane prin scurgerea în sursele de apă subterană sau prin filtrarea apei de ploaie prin deșeuri, ceea ce acidifică solul și poluează apele subterane, otrăvind astfel flora și poluând apele subterane prin deșeuri filtrate de apa de ploaie care se infiltrează în apele subterane-poluarea și acidificarea solului; pentru a controla complet această problemă, descărcarea trebuie să se facă înainte de intrarea în procesul de reciclare; în caz contrar, metalele posibil otrăvitoare din interior se pot scurge în mediu prin celule, ajungând în mediu prin scurgeri din celule în sursele de apă subterană sau chiar mai rău! Pentru a combate acest fenomen, procesul de reciclare trebuie să asigure descărcarea completă a bateriilor înainte de a intra în procesul de reciclare, pentru a minimiza scurgerile în sursele de apă subterană; sursele de apă subterană otrăvitoare o poluează astfel înainte de a acidifica sursele de apă subterană, otrăvind sursele de alimentare cu apă subterană; așadar, bateriile reciclate trebuie să fie tratate pentru a preveni contaminarea apelor subterane în timpul transportului către sursele de apă subterană, scurgerile fiind degradate înainte ca sursele de apă subterană să fie acidificate, înainte de a intra într-un alt proces de reciclare; astfel, daunele aduse mediului în acest mod, provenite din interiorul celulelor înainte de a intra în procesul de reciclare, pot duce la scurgeri în sursele de apă subterană, deoarece substanțele chimice și metalele se scurg în mediu din cauza scurgerilor înainte de a intra în procesul de reciclare; pentru a asigura că bateriile sunt complet descărcate înainte de a intra în procesele de reciclare; în caz contrar, scurgerile ar avea loc, deoarece, altfel, substanțele chimice și metalele s-ar scurge în mediu din cauza scurgerilor; înainte de a intra în instalațiile de reciclare, trebuie asigurată protecția mediului, iar după intrarea în acestea, instalațiile de reciclare trebuie să se asigure că se previn scurgerile, deoarece, în caz contrar, scurgerile din celule ar putea permite scurgerea prin această cale sau ar putea duce la scurgeri spre.
Hidrometalurgia, principala metodă de reciclare a bateriilor, implică dezasamblarea, mărunțirea și topirea sau dizolvarea materialelor la temperaturi ridicate, în vederea obținerii unei mase negre sub formă de pulbere, compusă din metale catodice (nichel, mangan și cobalt) amestecate cu hidroxid sau carbonat de litiu, care poate fi apoi utilizată pentru producerea de baterii litiu-ion noi sau vândută ca materie primă altor producători de baterii.
Companiile de reciclare recunosc că reciclarea bateriilor este costisitoare și consumă multă energie, așa că, pentru a reduce impactul asupra mediului, au dezvoltat tehnici inovatoare menite să sporească rentabilitatea procesului. Unii au dezvoltat abordări mai sofisticate, bazate pe reacții chimice în locul temperaturilor ridicate, pentru a recupera metalele catodice; acest lucru le permite firmelor de reciclare să utilizeze diverse compoziții chimice ale bateriilor, evitând în același timp costurile asociate topirii sau dizolvării materialelor în lichid.
Northvolt, un operator suedez de instalații de reciclare a bateriilor, a înființat cu succes o unitate de reciclare în Skelleftea și va deschide o altă unitate în apropierea fabricii sale de producție din Quebec în 2024, utilizând tehnologia Revolt Ett – care transformă sulfații de nichel, mangan și cobalt în hidroxizi prin procese hidrometalurgice; apoi, aceste materiale reciclate pot fi utilizate fie pentru fabricarea noilor baterii ale Northvolt, fie vândute altor producători de baterii în scopul reciclării.
Unitatea Revolt Ett a companiei Northvolt poate prelucra majoritatea compozițiilor chimice ale bateriilor, concentrându-se în principal pe cele care conțin nichel și cobalt, deoarece aceste materiale sunt mai greu de procurat decât ionii de litiu utilizați în baterii. Northvolt lucrează la alte metode care îi vor permite să recicleze în mod eficient mai multe componente ale bateriilor – precum carcasele din polimer și anozii.
Cercetătorii au înregistrat, de asemenea, progrese în ceea ce privește recondiționarea catodelor, cristalul delicat care asigură bateriilor tensiunea necesară. Un studiu publicat în revista „Joule” a arătat că bateriile care utilizează catode reciclate au avut o performanță la fel de bună ca cele fabricate din catode proaspăt extrase din mină.
Reciclare directă
Reciclarea directă este o metodă care permite recuperarea, regenerarea și reutilizarea directă a componentelor bateriilor, fără a fi necesară mai întâi dezintegrarea structurii lor chimice. Fiind o abordare emergentă în domeniul reciclării bateriilor litiu-ion (LIB), reciclarea directă poate spori semnificativ eficiența procesului de reciclare, reducând în același timp la minimum impactul economic și de mediu. Reciclarea directă și-a dovedit valoarea în comparație cu pirometalurgia sau hidrometalurgia din perspectiva rentabilității, a eficienței energetice, a sustenabilității, precum și a conservării structurii materialelor, ceea ce scurtează procesele generale de reciclare și îmbunătățește calitatea materialelor regenerate.
Însă această strategie se confruntă cu numeroase obstacole care îi împiedică punerea în practică, de la procesele de dezasamblare, sortare și separare până la limitările tehnologice și preocupările societății.
Atât cercetătorii, cât și firmele de reciclare depun eforturi susținute pentru a dezvolta tehnici îmbunătățite de reciclare directă care să asigure viabilitatea comercială, cum ar fi procesul companiei elvețiene Kyburz, care constă în tăierea bateriilor scoase din uz pentru a le deschide, folosind o tehnică inovatoare de decupare, și apoi reformarea electrozilor acestora în celule noi, ceea ce face ca această metodă să fie mai eficientă decât metodele tradiționale de mărunțire și separare.
Acest proces a fost adaptat pentru diverse compoziții chimice ale celulelor LIB, precum și pentru materialele catodice și anodice. Această tehnologie ar trebui să sporească eficiența producției de baterii, reducând în același timp activitățile de extracție și prelucrare, care sunt de obicei costisitoare, consumatoare de resurse și dăunătoare mediului.
De asemenea, ar trebui să se ia în considerare modul în care aceste tehnologii ar putea influența economia circulară. Producătorii de baterii trebuie să acorde prioritate eforturilor de reciclare, să promoveze standardizarea și să pună în aplicare protocoale de schimb de informații. Astfel, se pot reduce deșeurile, creându-se în același timp un lanț de aprovizionare eficient, care furnizează materii prime esențiale industriei globale de producție a bateriilor. Companiile interesate să colaboreze cu Argonne în cadrul acestor eforturi îl pot contacta pe Jeff Spangenberger, șeful grupului de cercetare pentru reciclarea materialelor și reacții din cadrul Laboratorului Național Argonne. Laboratorul Național Argonne oferă soluții la problemele naționale urgente din domeniul științei și tehnologiei prin cercetare fundamentală și aplicată în aproape toate disciplinele științifice. Este administrat de UChicago Argonne LLC în numele Biroului de Știință al Departamentului Energiei.