Утилизация и переработка литий-ионных аккумуляторов. Мировая практика.

Согласно экспертным данным, сейчас спрос на литий-ионные аккумуляторы вырос. Однако растущее количество таких источников энергии представляет серьезную проблему для переработки в конце срока их службы. Давайте разбираться в разных подходах к переработке и повторному использованию литий-ионных аккумуляторов (ЛИА).

Складирование отработанных батарей небезопасно с экологической точки зрения. Утилизация ЛИА по окончании срока службы может быть экономически выгодна — нет необходимости в добыче нового сырья и появляется устойчивость к рискам поставок. 

Существует возможность повторного использования блоков, модулей и элементов в других направлениях, таких как зарядные станции и стационарные накопители энергии. Однако это требует точной оценки состояния здоровья батареи (SоH), чтобы классифицировать, подходят ли аккумуляторы для использования, и если да, для каких целей. 

Для точной сортировки и тестирования аккумуляторов необходимы методы мониторинга находящихся в эксплуатации аккумуляторов, позволяющие заранее предупреждать о возможной замене и/или ремонте модулей или блоков: отслеживать разницу в напряжении ячеек, состояние системы охлаждения и подогрева;  выходное напряжение; ток при заряде/разряде и многое другое. Например, компании по производству электромобилей предлагают, повторно использовать ЛИА для создания накопителей энергии для дома. 

Сегодня в мире существует 5 способов переработки ЛИА:

• Пирометаллургическое восстановление

При пирометаллургической регенерации металлов используется высокотемпературная печь для восстановления составляющих оксидов металлов до сплава. Этот способ подходит как для обычных потребительских, так и для ЛИА электромобилей. Преимущество в том, что его можно использовать с целыми ячейками или модулями без необходимости предварительной стадии пассивации. Продуктами пирометаллургического процесса являются фракция металлического сплава, шлак и газы. Металлический сплав может быть разделен с помощью гидрометаллургических процессов на составляющие металлы, а шлак обычно содержит металлы: алюминий, марганец и литий, которые могут быть восстановлены путем дальнейшей гидрометаллургической обработки, но также могут быть использованы в других отраслях, например, цементная промышленность. 

• Разделение физических материалов

Для регенерации после измельчения, восстановленные материалы могут быть подвергнуты целому ряду процессов физического разделения. Часто необходимо удалить полимерные связующие из компонентов «черной массы», чтобы высвободить графит и оксиды металлов из медных и алюминиевых токосъемников. Это можно сделать с помощью обработки ультразвуком в растворителе, термической обработки для разложения связующих компонентом или растворения алюминиевого токоприемника. Однако эти процессы часто требуют высоких температур (60–100 °C) и протекают относительно медленно (около 3-х часов). 

• Регенерация гидрометаллургических металлов

Гидрометаллургическая обработка включает использование водных растворов для выщелачивания желаемых металлов из катодного материала. После выщелачивания металлы могут быть извлечены с помощью ряда реакций осаждения, контролируемых изменением pH раствора.  Сначала извлекают кобальт, а затем литий. 

Вопросы, которые стоят  при использовании данных процессов: требуемые объемы растворителей, скорость расслаивания, затраты на нейтрализацию и вероятность перекрестного загрязнения материалов. Хотя измельчение является быстрым и эффективным методом обеспечения безопасности материалов батареи, смешивание материалов анода и катода в начале процесса переработки усложняет последующую обработку. Метод, в котором узлы анода и катода могут быть разделены до механического разделения или разделения на основе растворителя, значительно улучшит сегрегацию материала. 

• Прямая переработка

Прямая переработка заключается в удалении материала катода или анода с электрода для восстановления и повторного использования в восстановленном ЛИА. В принципе, смешанные металлооксидные катодные материалы могут быть повторно введены в новый катодный электрод с минимальными изменениями. Как правило, это потребует пополнения содержания лития, чтобы компенсировать потери из-за деградации во время использования, и потому, что материалы не могут быть извлечены из батарей в полностью разряженном состоянии с полностью литированными катодами. До сих пор работа в этой области была сосредоточена в основном на батареях для ноутбуков и мобильных телефонов. 

Прямая переработка также имеет то преимущество, что, в принципе, все компоненты батареи могут быть восстановлены и повторно использованы после дальнейшей обработки. 

Однако для достижения максимальной эффективности, процессы  прямой переработки должны быть адаптированы к конкретным составам катодов, что требует использования различных процессов для различных катодных материалов. Также такой способ очень чувствителен к загрязнению другими металлами, такими как алюминий, что приводит к ухудшению электрохимических характеристик. 

• Регенерация биологических металлов

Биовыщелачивание, при котором бактерии используются для извлечения ценных металлов, успешно используется в горнодобывающей промышленности. Это новая технология повторной переработки ЛИА и регенерации металлов, которая потенциально дополняет гидрометаллургические и пирометаллургические процессы. Здесь используются микроорганизмы для селективного выщелачивания оксидов металлов с катода и восстановления этих оксидов с образованием наночастиц металлов. Однако количество исследований, проведенных до сих пор небольшое. 

Утилизация ЛИА по окончании срока службы необходима по многим причинам. Бережное отношение к ресурсам, потребляемым при производстве аккумуляторов для электромобилей и их переработке, безусловно, будет ключом к устойчивому будущему. Системы мониторинга помогут лучше выявить характеристики отдельных аккумуляторов с истекшим сроком службы для вторичного использования. 

IoT решения 86Bits помогут отслеживать жизненный цикл батареи с момента выпуска до утилизации.

Зная полностью историю батареи можно использовать эти данные в новых разработках, например планировать запасы сырья, с учетом использования переработанных материалов и прогнозировать срок службы батарей.