Hydrometalurgický Postup Recyklace Niklu z Lithium-Iontových Baterií

Lithium-iontové baterie jsou klíčovou součástí moderní technologie - napájí vše od mobilních telefonů po elektromobily. S růstem poptávky po těchto bateriích je však stále důležitější i jejich správná likvidace a recyklace.

Význam Recyklace Lithium-Iontových Baterií

Recyklace lithium-iontových baterií není jen o snižování odpadu, ale také o podpoře udržitelného přístupu k vzácným přírodním zdrojům. Je jasné, že opětovné užití recyklovaného materiálu šetří suroviny, které jsou nezbytné pro dlouhodobou udržitelnost li-ion baterií. Dochází k úspoře materiálů využívaných v bateriích opětovným využitím.

V roce 1991 společnost Sony přišla na trh s přenosnou li-ion baterií, která se díky nižšímu poměru hmotnosti a velikosti k výkonu, konstantnímu napětí na výstupu a delší životnosti stala hojně využívaná v přenosných zařízeních. V současné době je tato technologie upřednostňována k pohonu elektromobilů.

Kobalt a nikl jsou hlavními podněty k recyklaci, co se týče ekonomické hodnoty. Tento aspekt je nutné vzít v úvahu, jelikož ekonomická hodnota materiálu není vždy v souladu s emisemi a spotřebou energie související s materiálem, popřípadě s potenciální úsporou v této oblasti. Příkladem je LFP baterie, která neobsahuje žádný ekonomicky vzácný kov a tudíž podněty k recyklaci jsou nízké.

Je nutné vyvinout recyklační procesy pro velké baterie využívané v hybridních či elektrických vozidlech. Směrnice 2006/66/ES uvádí, jak by měly být různé typy baterií recyklovány. Nařízení komise EU č. Nařízení komise EU č.

Čtěte také: Postup zateplení v ČR

Recyklace li-ion baterií je v současné době nízká. Není to pouze z důvodu nedostatečné ekonomické motivace, ale také z důvodu, že pouze malý objem baterií zatím dosáhl konce své životnosti. V současné době je recyklace určena hlavně legislativními a bezpečnostními požadavky předmětných směrnic a nařízení. Je tedy jasné, že legislativní stránka hraje velice důležitou roli v tomto odvětví.

Zájem o vysloužilé, „second life “, li-ion baterie se zvyšuje, a to zejména z hybridních a elektrických vozidel, kde je baterie považována za nevhodnou pokud dosáhne 80 % své původní kapacity. Dále je tu zájem o využití li-ion baterií v elektrických vozidlech pro integraci do sítě: vehicle-to-grid (V2G). Ve V2G scénáři je elektromobil připojen k síti, například pomocí dobíjecí stanice Enel V2G, kde může elektrickou energii dodávat nebo přijímat na základě poptávky.

Materiály v Li-Ion Bateriích a Proces Demontáže

Materiály obsažené v li-ion bateriích se liší v závislosti na aktivním materiálu katody. Na současném li-ion trhu stále ještě dominují malé baterie, které využívají katody z kobaltu, ale objevují se i katody s manganem a fosforečnanem železa. Společnost Umicore provedla hmotnostní bilanci a uvádí průměrné zjištěné hodnoty. V následující tabulce je souhrn materiálů obsažených v li-ion bateriích, které byly odděleny v procesu demontáže u prototypních baterií a u baterií pro hybridní vozy. To se odráží v poměrně nízkém procentuálním vyjádření bateriových článků.

První krok demontování nastane s obalem, což usnadňuje recyklování ocele, hliníku, plastu a elektroniky, která je spojená s obalem anebo dostupná po jeho odstranění. Po tomto kroku následují bateriové články.

Metody Recyklace: Pyrometalurgie a Hydrometalurgie

I když je možné využít více technologií k recyklaci li-ion baterií, je zde pouze jedna, která je zatím využívána v komerčním měřítku - pyrometalurgická recyklace. Hydrometalurgické metody jsou v prototypním měřítku jak v Evropě, tak i v USA.

Čtěte také: Krok za krokem recyklace papíru

Hydrometalurgický proces zahajuje drcení. Pak oddělení kovů, papíru a plastů, přičemž vznikne tzv. "černá hmota", která obsahuje uhlík, mangan a oxidy zinku. Ta se používá pro další zpracování kyselinovou cestou podobným postupem, jaký se používá pro zpracování manganových nebo zinkových rud. Lithiové baterie se rozebírají ve speciálně uzpůsobeném prostředí, aby se zabránilo výbuchu.

Využití materiálu po recyklaci není rozhodující, rozhodující je jeho výstupní kvalita, která je primární v dalším začlenění do výrobních procesů. Pokud se materiál po recyklaci nedá znovu využít ke stejným účelům, nedosáhne se snížení zátěže na životní prostředí. Pokud chceme zajistit snížení negativních dopadů baterií skrze recyklaci, musíme požadovat vysokou míru recyklace baterií vyskytujících se na trhu a vysokou úroveň výstupní kvality. Z pohledu vyčerpání zdrojů je otázka kvality ještě více důležitá.

K zajištění budoucí zásoby materiálu na výrobu baterií musí být výstup recyklace na přijatelné úrovni. Tesla společně se společností Umicore tvrdí, že při použití recyklovaného materiálu se sníží značně zátěž na životní prostředí. Recyklovaná kvalita lithia je v současné době pod úrovní využití při výrobě nových bateriích. Z hlediska dlouhodobé udržitelnosti trhu s bateriemi je potřeba v tomto ohledu značné zlepšení.

Lithiový článek může být teoreticky recyklován skoro celý. Společnost Recupyl S.A. vyvinula již v roce 2003 hydrometalurgický proces recyklace, který má za výsledek 90 % obnovy lithia. Hydrometalurgie zahrnuje využití vodného roztoku a operací k rozdělení různých komponent. Hydrometalurgie je proces probíhající za nízkých teplot, kde kovy, obsažené v materiálu, jsou pomocí kyseliny nebo solí přeměny na kovový roztok. Výhodou tohoto procesu je selektivnost. Přímým rozdělením a znovunabytím několika materiálů je dosaženo vysoké efektivnosti. Využití energie k obnově materiálu je na nízké úrovni, tedy odrazem nízkých teplot, a to samé můžeme tvrdit u úrovně emisí vznikajících při použití této metody.

Při vysokých teplotách mohou být baterie taveny a vzniká tím kovová frakce, struska a plyny. Pyrometalurgie využívá průmyslových pecí, kde jsou kovové materiály a kovy transformovány nebo čištěny.

Čtěte také: Dluhopisy krok za krokem

Příklady Inovativních Přístupů k Recyklaci

Jedním z nejpozoruhodnějších úspěchů společnosti Li-Cycle je jejich schopnost recyklovat až 95 % materiálu z použitých lithium-iontových baterií. Tato vysoká míra recyklace je důležitá, protože zajišťuje, že cenné suroviny, jako je lithium, kobalt nebo nikl, mohou být znovu použity a nejsou zbytečně odkládány na skládky. Li-Cycle se zaměřuje na recyklaci v zemích, kde jsou baterie vyráběny a používány - tedy přímo v USA. Tento přístup pomáhá nejen snižovat náklady na dopravu použitých baterií do jiných zemí, ale také minimalizuje uhlíkovou stopu spojenou s přepravou. Na rozdíl od některých starších metod recyklace, které mohou produkovat nebezpečné emise nebo toxické odpady, se Li-Cycle zaměřuje na ekologicky šetrný proces recyklace. Ve své metodě používá „hydrometalurgický“ proces, který nevyžaduje vysoké teploty ani energeticky náročné tavení materiálů. Jedním z problémů recyklace je časté poškození nebo degradace starých baterií, což může proces komplikovat. Li-Cycle však dokáže efektivně recyklovat i silně opotřebované nebo poškozené baterie.

Minulý týden otevřel Mercedes-Benz obří továrnu na recyklaci vysloužilých trakčních akumulátorů - první svého druhu v Evropě, zároveň první automobilkou provozovaný recyklační závod na světě. Ze starých baterií se zde znovu využije až 96 % materiálu. Jednou z hlavních nezodpovězených otázek okolo tématu elektromobilů jsou vysloužilé baterie. Přesvědčivou odpověď nám minulý týden poskytla účast na otevření nejmodernějšího výrobního závodu Mercedesu, který se bude zabývat právě obnovitelností prvků obsažených ve starých akumulátorech.

Nová recyklační továrna v Kuppenheimu poblíž bádenského Karlsruhe se rozkládá na ploše 6800 m2 a při plném vytížení je připravena generovat více než 50.000 bateriových modulů ročně. Jejím hlavní činnost představuje získávání cenných surovin z vysloužilých akumulátorů. Stavba si vyžádala investice ve výši několika desítek milionů eur.

Vysloužilé lithium-iontové baterie z testovacích plug-in hybridů a elektromobilů či startovací akumulátory se zde budou nejprve mechanicky drtit, poté následuje několikastupňový hydrometalurgický chemický proces. Automobilka prohlašuje, že z vysloužilých baterií dokáže recyklovat více než 96 % materiálu. Zaměření fabriky na udržitelnost dokumentuje například střecha produkční haly kompletně pokrytá fotovoltaickými panely, které zásadním způsobem přispějí k energetické soběstačnosti.

A jak takový proces probíhá? Po kontrole stavu nabití se bateriové moduly umístí na dopravní pás. Akumulátory se následně mechanicky rozdrtí, propláchnou a rozdělí na hrubou a jemnou frakci. Pomocí gravitačních vzduchových principů, magnetického separování, mlecích procesů a síta se od sebe oddělují plasty, měď, hliník a železo. Současně se odstraní zbývající hmota. Kovy se nejprve rozpustí do kapalného roztoku. Nerozpuštěný grafit se oddělí pomocí filtru a plní do láhví. Stejný postup se používá pro srážené železo a hliníkové složky. A jakmile celý tenhle vícestupňový chemický separační proces skončí, jsou k dispozici nové suroviny pro výrobu baterií: mangan, uhlík, nikl, kobalt a lithium.

Recyklace Baterií: Jak na to jdou ostatní?

Německý Volkswagen finančně podporuje švédského partnerského výrobce akumulátorů Northvolt AB. Vynaložené prostředky slouží k rozšíření kapacit v oblastech výroby, recyklace, výzkumu a vývoje trakčních baterií. Volkswagen spustí v roce 2025 výrobu akumulátorových článků také v Salzgitteru. V tomto případě se bude jednat o unifikované články pro segmenty s vysokými objemy prodeje. Oba závody na výrobu akumulátorových článků budou používat elektrickou energii z obnovitelných zdrojů.

Japonská automobilka spolu s firmou Chubu Electric Power vytvořila systém skladování energie Storage Battery System na průmyslové úrovni, kde jsou opakovaně využity akumulátory z elektromobilů, hybridních vozů a plug-in hybridů značky Toyota. Baterie tak jsou i po ukončení životnosti automobilu nadále užitečné. Velké sady trakčních baterií lze využít jako velkokapacitní sklady energie, i kdyby po letech užívání ve vozidlech došlo ke snížení původní výkonnosti akumulátorů.

Automobilka z bavorského Ingolstadtu vytvořila obrovské víceúčelové úložiště elektrické energie v Berlíně. Úložiště energie s kapacitou 1,9 MWh je složeno z použitých lithium-iontových akumulátorů z vývojových prototypů vozidel a ověřuje různé možnosti interakce mezi elektromobily a energetickou sítí.

Udržitelnost Baterií a Alternativní Materiály

Baterie jsou stále důležitější. Všímáme si toho při naší každodenní práci, protože poptávka po domácích a komerčních úložištích neustále roste. Jsou však baterie udržitelné? Jaké typy článků existují? Při prvním pohledu na použité suroviny a výrobní procesy baterie by se mohlo zdát, že není ani moc udržitelná, ani šetrná k životnímu prostředí. Obsahuje nedostupné a vzácné suroviny, jako je kobalt, lithium nebo mangan. Těžba i zpracování těchto materiálů má někdy velké sociální a environmentální dopady.

Nelze ale pominout zásadní aspekty - baterie pomáhají řešit závislost na fosilních palivech a jsou díky technickým pokrokům stále udržitelnější. Výběr materiálů se více zaměřuje na snadno dostupné a nekritické zdroje, např. sodík. Také těžba materiálů je stále šetrnější k životnímu prostředí - učíme se z chyb.

Více než 96 % materiálů použitých v bateriovém modulu recyklovat lze. Doposud se lithiové baterie po skončení životnosti většinou spalovaly a následně rozemílaly, aby se z nich získaly některé suroviny; například kobalt, nikl a měď. Nyní je populárnější tzv. mechanický hydrometalurgický proces.

Modul baterie se rozemele. Smíšené suroviny se třídí pomocí několika složitých třídicích procesů, s ohledem na potřeby trhu. Postup je vhodný pro průmyslové využití a několik společností již tento proces úspěšně používá!

Podle nařízení EU o bateriích musí být do roku 2030 recyklováno alespoň 70 % všech bateriových modulů. Ten hraje ústřední roli při ukládání i uvolňování energie. Každá konstrukce má své výhody a nevýhody. Například válcový tvar umožňuje velmi vysokou objemovou hustotu energie na úrovni buněk a modulů. Kruhový tvar však vyplňuje prostor velmi neefektivně.

Z hlediska hustoty energie může bateriový článek v „pytlíkové“ struktuře držet krok s válcovým tvarem. V současné době se pro ukládání elektrické energie ve stacionárních systémech používají především lithium-iontové (Li-Ion) akumulátory. Li-Ion bateriové systémy jsou snadno rozšiřitelné, mají dlouhou životnost, nenáročnou údržbu, vysokou hustotu energie, odolávají vysokým/nízkým teplotám a jsou méně citlivé na vlhkost než jiné bateriové systémy.

Aby se zvýšila bezpečnost Li-Ion bateriových článků a zabránilo se jejich většímu poškození, jsou instalovány následující prvky:

• PTC prvek (kladný teplotní koeficient): Přeruší elektrický kontakt s článkem, když se zahřeje, a může zabránit dalšímu přehřátí článku.
• Prvek CID (přerušení dodávky proudu): V případě přetlaku přeruší elektrický kontakt v článku.

Baterie typu lithium-nikl-kobalt-oxid hliníku (NCA) jsou známy od konce 90. let 20. století. Směs přináší více energie i vysoký výkon. U akumulátorových článků NCA je zajištěna větší bezpečnost v elektronických automobilech pomocí speciálních monitorovacích mechanismů. Přestože se pro výrobu používá málo kobaltu, je výroba bateriových článků NCA drahá. V automobilovém průmyslu se proto příliš nepoužívá.

Lithium-nikl-mangan-kobalt-oxidové (NMC) bateriové články lze vyrábět s různými vlastnostmi, protože poměr niklu, manganu a kobaltu se může měnit. Méně kobaltu = nižší náklady. Více niklu = vyšší hustota energie. Větší podíl manganu = zvýšení měrného výkonu. Tato flexibilita je velkou výhodou.

Lithium-železo-fosfátové (LFP) bateriové články nabízí vyšší vnitřní bezpečnost i hustotu výkonu. Skupiny prvků používané pro výrobu článků jsou lépe dostupné, což výrazně usnadňuje výrobní proces.

Trh s bateriemi ukazuje na růst - jen v roce 2022 přibylo 214 000 domácích úložišť a přibližně 3 900 komerčních úložišť. Odhady počítají s poptávkou po 2 035 GW v roce 2030. Velká část z toho bude využita pro elektromobilitu. Vzhledem k potenciálu odvětví probíhá výzkum levných a udržitelných alternativ k lithium-iontovým bateriím.

Malý výtah z projektů:

CATL - čínský výrobce sodíko-iontových (Na-ion) baterií (výroba od roku 2023)
V roce 2023 představí čínský výrobce Contemporary Amperex Technology (CATL) novou Na-Ion baterii. Zpočátku mají Na-Ion baterie nahradit olověné akumulátory ve spalovacích automobilech, ale ve střednědobém nebo dlouhodobém horizontu se budou používat i v elektromobilech. Tato technologie baterií zaujme velmi rychlou schopností nabíjení a kompatibilitou, což je pro elektromobily důležité. Společnost CATL rovněž vyvinula kombinaci Li-Ion a Na-Ion článků. Ta je vhodná pro technologii cell-to-pack výrobce a lze ji použít v e-automobilech bez bateriových modulů.

Hliníko-sirná baterie (Massachusettský technologický institut (MIT), USA)
Mezinárodní tým výzkumníků z Massachusettského technologického institutu (MIT) v USA vyvinul technologii hliníko-sirných baterií. Kromě hliníku a síry se k ukládání energie používá chloro-hlinitá sůl, která funguje jako izolační materiál. Četné testovací zkoušky ukázaly, že tato technologie baterií má vysokou rychlost nabíjení. Kromě toho je pro výrobu nutná jen 1/6 nákladů na Li-Ion baterie. Největší výhodou je ale téměř žádné nebezpečí požáru.

Cerenergy - levná alternativa k Li-Ion bateriím?
Fraunhoferův institut pro keramické technologie a systémy IKTS založil společný podnik. Technologie článků se řadí pod značku „Cerenergy“. Nová technologie neobsahuje lithium, kobalt, grafit ani měď. Mohly by se tak omezit nedostatkové suroviny a problémy s dodavatelským řetězcem. Podle výzkumníků jsou výrobní náklady přibližně o 40 % nižší než náklady na Li-Ion baterie. Hlavními součástmi baterií Cerenergy jsou obyčejná sůl nebo baterie Na/NiCl2 a Na/S.

Pokud jde o udržitelnost bateriových systémů, ušli jsme už dlouhou cestu. Pokud srovnáme současné technologie těžby a recyklace zdrojů s technologiemi před několika lety nebo desetiletími, i celé odvětví udělalo velký pokrok. Konstrukce článků dosáhla také velmi vysokého standardu bezpečnosti a výkonu.

tags: #hydrometalurgický #postup #recyklace #niklu

Oblíbené příspěvky:

• Clementoni Příroda pod mikroskopem XXL: Podrobný pohled
• Odpadkové koše z kovu
• O automatickém odpadkovém koši Dufurt
• Rybí odpad a životní prostředí
• Objevte krásy Boa Vista