Lityum Pil Geri Dönüşümü

Lityum piller, kobalt ve nikel gibi üreticilerin tekrar kullanmak üzere geri dönüştürmek istedikleri değerli elementler içerir, çünkü bunu yapmak madencilik ve işleme ihtiyaçlarını azaltır, maliyetleri ve emisyon salınımlarını düşürür.

Bazı şirketler halihazırda pil geri dönüşümü yapmaktadır. Bu şirketler, kullanılmış pilleri eritmeden ya da çözmeden önce genellikle siyah bir kütle halinde parçalayarak içinden metalleri çıkarmaktadır.

Mekanik Kırma

Lityum piller modern teknolojilerde her geçen gün daha fazla yer almaya başladıkça, geri dönüşümleri de artmıştır. Bileşenlerinin son derece değerli ve sınırlı olduğu düşünüldüğünde bu özellikle önemlidir. Lityum pil hücrelerinin geri dönüşümü, atıkları azaltmaya yardımcı olurken, aksi takdirde yenilerini üretmeye gidecek enerjiyi korur; ayrıca geri dönüşüm, değerli hammaddeleri yeniden kullanmamızı sağlayarak taze hammadde talebini azaltır.

Akü geri dönüşüm yöntemlerinden biri mekanik kırma işlemidir. Bu işlem, hammaddelerin daha ileri işlemler için küçük parçalara ayrıldığı madenciliğe benzer; bu işlem elle veya özel makinelerle gerçekleştirilebilir. Kırıldıktan sonra, akü geri dönüşümünden elde edilen parçalar daha sonra tekrar hizmete sokulmadan önce kimyasal ayırma, mekanik ayırma ve/veya eritme işlemlerine tabi tutulabilir.

Kırma, lityum-iyon pil geri dönüşümünün ayrılmaz bir adımıdır ve ıslak veya kuru kırma yöntemleri şeklinde olabilir. Islak kırma, çeşitli bileşenleri istenenden daha sıkı bir şekilde birbirine bağlanmaya zorladığından daha zorlayıcı olabilirken, kuru kırma, kullanılmış lityum pillerin seçici kırma özelliklerinin ön plana çıkmasını sağlayarak aktif katot malzemelerini toplayıcı alüminyum folyodan kurtararak sonraki geri kazanım işlemlerini kolaylaştırır.

Ayıklama, pil geri dönüşümünün bir diğer kilit unsurudur. Ayıklama, metal bileşenlerini izole ederken pillerin içinde bulunan bazı plastik bileşenlerin çıkarılmasına yardımcı olabilir; daha sonra ilk bileşenler yeniden kullanılabilirken, ikinci bileşenler yeni lityum piller üretmek için kullanılabilir. Ayıklama işlemi genellikle akülerden tek tek parçaları ayırmaya yardımcı olan mıknatıslar kullanılarak gerçekleştirilir.

Akü geri dönüşümünün son adımının bir parçası olarak mekanik ayırma gerçekleşir. Bu işlem hava ile eleme, kırma ve eleme işlemlerini içerir. Bu yöntem, nikel ve kobalt gibi en maliyetli bileşenlerinden bazılarını geri kazanırken yüksek sıcaklıklardan kaçınmak gibi birçok avantaja sahiptir.

Hidrometalurjik İşleme

Çoğu lityum pil geri dönüşüm tesisinde, kullanılmış hücreler önce kimyasal ve fiziksel özelliklerine göre ayrılır, ardından katot malzemelerinin ve grafit anotların siyah kütlelerinden iyonik formdaki metallerin geri kazanılması için bir hidrometalurjik işleme tesisine gönderilir. Metaller güçlü asitler veya oksitleyici maddeler kullanılarak oksitlere, sülfatlara veya hidroksitlere ayrıştırılır ve bunlar daha sonra yeni bataryalarda yeniden kullanılmak üzere üreticilere geri satılır.

Bazı akü geri dönüşümcüler "pirometalurji" olarak bilinen süreci de kullanmaktadır. Bu yöntemde kullanılmış aküler 1.500 derece sıcaklıktaki bir fırında üç ila dört saat boyunca ısıtılarak karbon bazlı malzemelerin çoğu yakılır ve bakır, nikel, alüminyum, manganez ve kobalttan oluşan karışık metal alaşımları ve cüruf elde edilir. Ne yazık ki bu yöntem, akülerde bulunan değerli metallerin yalnızca küçük bir yüzdesini geri kazanırken önemli miktarda enerji harcaması gerektirmektedir.

Hidrometalurji, metal iyonlarını asit içinde çözerek boyutlarını küçültmek ve ardından çözeltiden çıkarmak için yüksek sıcaklıklar yerine su kullanan yenilikçi bir pil geri dönüşüm yaklaşımıdır. Hidrometalurji, pil geri dönüşümünün bir parçası olarak kullanıldığında birçok avantaja sahiptir - hem pirometalurji hem de mekanik kırma yöntemlerine kıyasla daha az enerji tüketimi, ayrıca neredeyse her hücre tasarımı veya kimya bileşimi için uygundur.

Northvolt ve Redwood Materials, Nevada ve Avrupa'da büyük pil geri dönüşüm tesisleri inşa etmek için hem kamu hem de özel yatırımcılardan milyarlarca dolar topladı; bu tesisler yalnızca kâr amacı gütmüyor, aynı zamanda karbon emisyonunu azaltarak ve geri kazanım süreçlerinde maliyetleri düşürerek çevresel etkiyi en aza indirmeyi hedefliyor.

Atık batarya malzemelerini çözmek için mikroorganizmaların metabolik çıktılarını kullanan biyolojik süzme, hem maliyetleri düşürmek hem de geri kazanım oranlarını artırmak için umut verici bir başka yaklaşımdır. Kaliforniya Üniversitesi'nden araştırmacılar Acidithiobacillus ferrooxidans kemolitotrofik bakterisini kullanarak lityum pillerden kullanılmış LiCoO2 katot malzemesini süzmüş; yaptıkları testler sonucunda sülfürik asit ve demir iyonları ürettiklerini ve bunların daha sonra geri kazanım amacıyla atık malzemelerden çıkarılabileceğini göstermiştir.

Kimyasal Reaksiyonlar

Yağmur suyunun atık maddelerden süzülerek toprağı asitlendirdiği, bitki yaşamını zehirlediği ve yeraltı sularını kirlettiği bir süreç olan sızıntı suyu, pillerin geri dönüşümü sırasında önlenmelidir; bunu başarılı bir şekilde yapmak için geri dönüşümcüler, pillerin geri dönüşüm sürecine girmeden önce tamamen boşaltıldığından emin olmalıdır, aksi takdirde hücrelerinde bulunan kimyasallar ve metaller çevreye kaçabilir ve bitki yaşamını ve su kaynaklarını tehdit edebilir. Sızıntı suyunun etkileriyle mücadele etmek için, geri dönüşümcüler pillerin geri dönüştürülmeden önce tamamen boşaltıldığından emin olmalıdır; aksi takdirde kimyasallar ve metaller hücrelerinden kaçabilir ve hem ekosistemleri hem de yeraltı su kaynaklarını kirletebilir. Sızıntı suyunun oluşmasını engellemek için geri dönüşümcüler, olumsuz çevresel etkilerini en aza indirmek ve geri dönüşüm süreçleri sırasında herhangi bir çevresel tehlikenin ortaya çıkmamasını sağlamak için geri dönüşüm süreçlerine girmeden önce pillerin tamamen deşarj edildiğinden emin olmalıdır - aksi takdirde, hücreleri̇n i̇çeri̇si̇nde bulunan ki̇myasallar su yollarina sizarak çevreye sizabi̇li̇r ve sizinti sularinin bi̇tki̇ yaşamini zehi̇rleyen etki̇leri̇ne neden olurken yeralti sularini ki̇rleterek yeralti sularina sizarak veya yağmur sularini atik maddelerden süzerek topraği asi̇tleşti̇rerek yeralti sularini ki̇rleterek bi̇tki̇ yaşamini zehi̇rlerken yeralti sularini ki̇rleterek yeralti sularini ki̇rleterek atik maddelerden süzerek yağmur sularini atiklardan süzerek yeralti sularini ki̇rleterek topraği asi̇tleşti̇rerek bu sorunu kontrol altina almak i̇çi̇n geri̇ dönüşüm süreci̇ne gi̇rmeden önce tamamen deşarj edi̇lmeli̇ aksi̇ halde sizinti sulari dişari sizdirilmalidir, Muhtemelen içerideki zehirli metaller, hücreler yoluyla yeraltı su kaynaklarına veya daha kötüsüne sızarak çevreye sızabilir! Bununla mücadele etmek için geri dönüşüm, yeraltı suyu kaynaklarına sızıntıyı en aza indirmek için geri dönüşüm sürecine girmeden önce pillerin tamamen boşalmasını sağlamalı, yeraltı suyu kaynaklarını zehirlemeli ve böylece yeraltı suyu kaynaklarını asitlendirmeden önce kirletmelidir; bu nedenle geri dönüştürülmüş piller, başka bir geri dönüşüm işleminde geri dönüştürülmeden önce asitlenmiş yeraltı suyu kaynaklarına girmeden önce bozunma sürecine sızarak yeraltı suyu kaynaklarına taşınma sırasında yeraltı suyu kirliliğini asitlendirmek zorundadır, bu nedenle geri dönüşüm işlemine girmeden önce hücrelerin içinden bu şekilde çevreye zarar verir, geri dönüşüm işlemine girmeden önce yeraltı suyu kaynaklarına sızıntı yoluyla sızıntı olarak bir şekilde yeraltı suyu kaynaklarına sızar pillerin geri dönüşüm süreçlerine girmeden önce tamamen deşarj olduğundan emin olmak aksi takdirde başka bir şekilde sızıntı olur çünkü aksi takdirde kimyasallar ve metaller girmeden önce sızıntı nedeniyle çevreye sızar geri dönüşümcüler girdikten sonra çevreyi sağlamalıdır, geri dönüşümcüler orada sızıntıyı önlediğinden emin olmalıdır, aksi takdirde hücreden sızıntıya sızıntı sızabilir bu şekilde sızıntıya izin vermek veya başka bir şekilde sızıntı olabilir.

Pil geri dönüşümü için birincil yöntem olan hidrometalurji, lityum hidroksit veya karbonat ile karıştırılmış katot metallerinden (nikel, manganez ve kobalt) oluşan ve daha sonra yeni lityum-iyon piller üretmek için kullanılabilecek veya diğer pil üreticilerine hammadde olarak satılabilecek toz halinde siyah bir kütle üretmek için malzemelerin sökülmesini, parçalanmasını ve yüksek ısıda eritilmesini veya çözülmesini içerir.

Geri dönüşümcüler akülerin geri dönüşümünün maliyetli ve enerji yoğun olduğunun farkındadır, bu nedenle çevresel etkilerini azaltmak için süreci daha uygun maliyetli hale getirecek yenilikçi teknikler geliştirmişlerdir. Bazıları, katot metallerini geri kazanmak için yüksek sıcaklıklar yerine kimyasal reaksiyonları kullanan daha sofistike yaklaşımlar geliştirmiştir; bu, geri dönüşümcülerin çeşitli pil kimyalarını kullanmasına izin verirken, malzemeleri sıvı içinde eritmek veya çözmekle ilgili maliyetlerden kaçınır.

İsveçli bir akü geri dönüşüm tesisi işletmecisi olan Northvolt, Skelleftea'da başarılı bir şekilde bir geri dönüşüm tesisi kurdu ve 2024 yılında Quebec'teki üretim tesislerinin yakınında, hidrometalurjik süreçler kullanarak nikel, manganez ve kobalt sülfatları hidroksitlere dönüştüren Revolt Ett teknolojisini kullanarak bir tane daha açacak; daha sonra bu geri dönüştürülmüş malzemeler Northvolt'un kendi yeni pillerini yapmak için kullanılabilir veya geri dönüşüm amacıyla diğer pil üreticilerine satılabilir.

Northvolt'un Revolt Ett tesisi çoğu batarya kimyasını işleyebiliyor ve öncelikli olarak nikel ve kobalt içerenlere odaklanıyor çünkü bu malzemelerin kaynağı bataryalarda kullanılan lityum iyonlarından daha zor. Northvolt, polimer muhafazalar ve anotlar gibi daha fazla pil bileşenini etkili bir şekilde geri dönüştürmesini sağlayacak başka yöntemler üzerinde çalışıyor.

Araştırmacılar, pillere uygun voltajı sağlayan hassas kristal olan katotların yenilenmesi konusunda da ilerleme kaydetti. Joule dergisinde yayınlanan bir çalışma, geri dönüştürülmüş katotların kullanıldığı pillerin, yeni çıkarılmış katotlardan yapılanlar kadar etkili performans gösterdiğini ortaya koydu.

Doğrudan Geri Dönüşüm

Doğrudan geri dönüşüm, batarya bileşenlerini önce kimyasal yapılarını sökmeden doğrudan geri kazanan, yeniden üreten ve yeniden kullanan bir yöntemdir. Lityum-iyon pil (LIB) geri dönüşümü için yeni bir yaklaşım olan doğrudan geri dönüşüm, geri dönüşüm verimliliğini önemli ölçüde artırırken aynı zamanda ekonomik ve çevresel ayak izlerini en aza indirebilir. Doğrudan geri dönüşüm, pirometalurji veya hidrometalurjiye kıyasla maliyet etkinliği, enerji verimliliği, sürdürülebilirlik ve malzeme kalitesini iyileştirirken genel geri dönüşüm yollarını kısaltan malzeme yapısının korunması göz önüne alındığında değerini kanıtlamıştır.

Ancak bu strateji, sökme, ayırma ve ayrıştırma süreçlerinden teknolojik sınırlamalara ve toplumsal kaygılara kadar pratikte uygulanmasını engelleyen çok sayıda engelle karşı karşıyadır.

Araştırmacılar ve geri dönüşümcüler, Kyburz İsviçre'nin yenilikçi bir sıyırma tekniğiyle ömrünü tamamlamış pilleri keserek açma ve ardından elektrotlarını yeniden yeni hücrelere dönüştürme işlemi gibi ticari uygulanabilirliği sağlayan gelişmiş doğrudan geri dönüşüm teknikleri geliştirmek için çok çalışmaktadır ve bu yöntem geleneksel parçalama ve ayırma yöntemlerinden daha verimlidir.

Bu süreç, çeşitli LIB hücre kimyalarının yanı sıra katot ve anot malzemeleri için özelleştirilmiştir. Bu teknoloji pil üretim verimliliğini artırırken, genellikle maliyetli, kaynak yoğun ve çevreye zarar veren madencilik ve işleme faaliyetlerini de azaltacaktır.

Bu teknolojilerin döngüsel ekonomiyi nasıl etkileyebileceği de göz önünde bulundurulmalıdır. Batarya üreticileri geri dönüşüm çabalarına öncelik vermeli, standardizasyon çabalarını teşvik etmeli ve bilgi paylaşımı için protokoller uygulamalıdır. Bu sayede atıklar azaltılabilir ve küresel pil üretim endüstrisine önemli hammaddeler sağlayan verimli bir tedarik zinciri oluşturulabilir. Bu çalışmalarda Argonne ile birlikte çalışmak isteyen şirketler Argonne Ulusal Laboratuvarı Malzeme Geri Dönüşümü ve Reaksiyonlar Grubu Araştırma Grup Lideri Jeff Spangenberger ile irtibata geçebilirler. Argonne Ulusal Laboratuvarı, hemen hemen her bilimsel disiplinde temel ve uygulamalı araştırmalar yoluyla bilim ve teknoloji alanındaki acil ulusal sorunlara çözümler sunmaktadır. Enerji Bakanlığı Bilim Ofisi adına UChicago Argonne LLC tarafından işletilmektedir.