Recyklace lithiových baterií: Výzvy a příležitosti

Lithiové baterie se používají k napájení různých zařízení, jako auta, elektrické sítě, notebooky a obsahují cenné kovy a další materiály, které lze obnovit, zpracovat a znovu použít. Lithiové baterie napájejí životy milionů lidí každý den.

Rostoucí počet elektrických aut však představuje vážný problém v oblasti nakládání s odpady. Vybité baterie ovšem představují i příležitost, jak získat přístup ke strategickým prvkům a kritickým materiálům a jsou jejich cenným sekundárním zdrojem.

Proč je recyklace lithiových baterií důležitá?

Jedním z hlavních důvodů recyklace lithiových baterií jsou jejich negativní vlivy na životní prostředí, které kontaminují půdu a podzemní vody a ohrožují ekosystémy a lidské zdraví obecně. Těžba lithia je spojována s úbytkem vegetace, nárůstem teploty a nárůst sucha v oblasti národních rezerv. Politická nevýhoda těžby lithia spočívá v tom, že 50 % světové produkce kobaltu pochází z Demokratické republiky Kongo a je spojeno s ozbrojeným konfliktem, nelegální těžbou, porušováním lidských práv a škodlivými vlivy na životní prostředí.

Recyklace baterií přináší politické i ekonomické výhody a snižuje množství materiálu putujícího na skládky. Vícenásobná životnost recyklace snižuje znečištění životního prostředí a potřebu minerálních materiálů.

Fyzické a chemické vlastnosti baterií

Ačkoliv se podle obecně používaného termínu lithiové baterie zdá, že se jedná o jeden typ baterií, ve skutečnosti chemické reakce, které se odehrávají uvnitř každé z nich, se mohou značně lišit. Baterie obecně obsahuje katodu, anodu, separátor, elektrolyt a pouzdro s těsnící funkcí. U všech těchto baterií jsou to lithiové ionty, které přenáší náboj prostřednictvím elektrolytu z anody na katodu. Lithium prochází otevřenou strukturou, která se může skládat z vrstev anebo tunelů. Každá technologie má své výhody a nabízí různé kompromisy.

Čtěte také: Problémy s lithiovými bateriemi

Baterie pro elektrická vozidla mají složitý design, obsahují různé kabelové svazky, sběrnice a elektroniky. Skládají se z různých modulů a článků. Design a konstrukce vozidla a baterií musí najít kompromis mezi bezpečností při nárazu, těžištěm, optimalizací prostoru, provozuschopností a dalšími nároky. Jiné produkty závislé na bateriích, jako jsou mobilní telefony, zaznamenaly v posledních dvou desetiletích exponenciální nárůst různých velikostí, tvarů a typů baterií. V současnosti je velká část tovární montáže těchto baterií prováděna lidskými pracovníky a zůstává neautomatizovaná.

Proč je každá baterie jiná

Design a konstrukce vozidla a baterií musí najít kompromis mezi bezpečností při nárazu, těžištěm, optimalizací prostoru, provozuschopností a dalšími nároky. Jiné produkty závislé na bateriích, jako jsou mobilní telefony, zaznamenaly v posledních dvou desetiletích exponenciální nárůst různých velikostí, tvarů a typů baterií. V současnosti je velká část tovární montáže těchto baterií prováděna lidskými pracovníky a zůstává neautomatizovaná.

Nakládání s odpadem z baterií

Základní schéma nakládání s odpadem se skládá z pěti stupňů, z nichž každý následující je horší z pohledu ekonomie i životního prostředí:

1. Prevence - snaha o to, aby baterie měly co nejdelší životnost, byly co nejlehčí a nejmenší a aby tedy odpadu bylo co možná nejméně.
2. Opětovné použití - znamená, že baterie elektrických vozidel, pokud již nejsou vhodné pro potřeby auta, by měly mít druhé použití. V hierarchii nakládání s odpady je opětovné použití či druhý život baterií považován za mnohem výhodnější než recyklace.
3. Recyklace
4. Spálení - použití některých materiálů baterií jako energie pro jiné recyklační procesy.

Časem se ovšem očekává, že nabídka použitých baterií elektrických vozidel daleko přesáhne množství, které může trh druhého použití absorbovat. Elektrolyty v bateriích totiž obsahují škodlivé látky, jako jsou organická rozpouštědla a lithné soli obsahující fluor, které mohou způsobit velké škody na životním prostředí. Kromě velké ekologické zátěže v případě problémů, pro recyklaci hovoří drahé kovy obsažené v bateriích, jako je lithium, kobalt, nikl, měď hliník a další.

V současné době při rozhodování, zda recyklovat nebo znovu použít, jednoznačně vede opětovné použití, protože je méně nákladné a navíc zlepšuje poměr energie investované do výroby baterie a energie, kterou baterie za svůj život uskladnila. Trhy pro skladování energie se rychle vyvíjejí, protože energetické regulační orgány na různých místech přecházejí na čistší zdroje energie. Již nyní se rozvíjí zdravý trh s použitými bateriemi pro elektrická vozidla pro skladování energie v určitých lokalitách, přičemž poptávka zatím stále převyšuje nabídku.

Čtěte také: Ekonomika recyklace Li-ion

Procesy recyklace baterií

Recyklace baterií zahrnují jak fyzikální (mechanické), tak chemické procesy. Pro tento krok recyklace se používá mnoho různých názvů: fyzické procesy, mechanické zpracování či přímá obnova.

Mechanické zpracování

Mechanické zpracování obvykle zahrnuje předúpravu baterií. Před manipulací jsou baterie obvykle vybity či stabilizovány. Články jsou pak rozebrány, rozbity a roztříděny. Většinou jsou z nich také extrahovány elektrolyty. Mechanické zpracování umožňuje získat zpět plasty, hliník, měď a tzv. černou hmotu. Černá hmota obsahuje kritické kovy, je shromažďována a poté převzata pro hydrometalurgické zpracování. Není však jasné, zda recyklát dosáhne dlouhodobých vlastností nového materiálu. Tyto procesy mohou být prováděny samostatně nebo společně.

Stabilizaci baterií lze dosáhnout pomocí solného roztoku nebo ohmického výboje. Stabilizace během otevírání je však v současnosti v průmyslu preferovanou cestou, protože minimalizuje náklady. Bateriové články mohou být skartovány při různých stavech nabití a z komerčního hlediska vybití před drcením zvyšuje náklady. Kromě toho zůstává nejasné, jaká přesně by měla být optimální úroveň vybití. V závislosti na chemii článku a hloubce vybití může totiž nadměrné vybíjení článků vést k rozpuštění mědi v elektrolytu.

Různé typy bateriových článků a jejich specifické problémy

Každý bateriový článek má specifické problémy s recyklací. Válcové články jsou často spojeny do modulu pomocí epoxidové pryskyřice, kterou je obtížné odstranit nebo recyklovat. Prizmatické články vyžadují „otevření plechovky", k čemuž jsou potřeba speciální nástroje. Vysoký obsah manganu v pouzdrových článcích Nissanu zase činí recyklaci méně nákladově efektivní, protože mangan je levný.

Automatizace recyklace

Vozidla mají velmi odlišné fyzické konfigurace baterií, které vyžadují různé přístupy k demontáži, což činí automatizaci téměř nemožnou. Liší se formát baterií a relativní velikosti různých součástí. Různé tvarové faktory a kapacity mohou také omezit opětovné použití nástrojů. Demontáž bateriových sad z elektromobilů navíc vyžaduje vysokonapěťové školení a izolované nástroje, aby se předešlo smrti elektrickým proudem nebo zkratu baterie. Zkrat má za následek rychlé vybití, které může vést k zahřátí a tepelnému úniku.

Čtěte také: Lithiové baterie a recyklace v Česku

Pyrometalurgie

Pyrometalurgie je široce používána pro komerční získávání kobaltu. Běžně používané pyrometalurgické zpracování použitých baterií je podobné tavení rudy. Před procesem tavení se baterie nejprve rozeberou na samostatné články a poté se přivedou do ohřívací pece. Tento proces je zvláště vhodný pro recyklaci běžných spotřebitelských baterií, protože jej lze aplikovat na nedokonale vytříděné suroviny z bateriových článků. Tato všestrannost je cenná také s ohledem na baterie pro elektrická vozidla, protože sběrače proudu zároveň napomáhají procesu tavení. Procesy pyrometalurgické recyklace jsou teoreticky schopny přijmout celé moduly elektrických vozidel bez další demontáže. V tomto procesu existuje relativně malé bezpečnostní riziko, protože články a moduly jsou vystaveny extrémním teplotám s redukčním činidlem pro regeneraci kovu. Navzdory všem problémům se tento proces stále ještě často používá pro extrakci vysoce hodnotných kovů, jako je kobalt a nikl.

Vzhledem ke všem svým problémům a především k omezeným zdrojům lithia, které se dostává do centra pozornosti při zpětném získávání surovin, nemá tato tradiční metoda velkou perspektivu rozvoje.

Hydrometalurgie

Proces hydrometalurgické recyklace typicky přichází po předchozí úpravě baterie. Hydrometalurgické úpravy zahrnují použití vodných roztoků k vyluhování požadovaných kovů z katodového materiálu. Stále se tak hledají způsoby a procesy, aby z materiálů baterií bylo možné získat co vyšší výnos a čistotu. Některé procesy dosáhli míry obnovy 99 % u lithia, 93 % u kobaltu, 91 % u niklu a 94 % u manganu.

Biolouhování, při kterém jsou bakterie využívány k získávání cenných kovů, se úspěšně používá v těžebním průmyslu. Zvláště kobalt a nikl se za použití normálních procesů obtížně oddělují a vyžadují další kroky extrakce rozpouštědlem. Proces využívající mikroorganismy k selektivnímu trávení oxidů kovů za vzniku kovových nanočástic, se zdá být nadějnou cestou.

Výzvy a perspektivy

Každý ze zmíněných recyklačních procesů nabízí určité výhody a představuje do budoucna jisté výzvy. Hlavní výzva nespočívá jen v samotných recyklačních procesech, ale také v návrhu baterií, které by vzaly v potaz nutnost budoucí recyklace. Pokročilé senzory a vylepšené metody monitorování baterií v terénu a testování na konci životnosti by umožnily, aby charakteristiky jednotlivých baterií co nejlépe odpovídaly navrhovaným aplikacím pro druhé použití.

Správné označení baterií a jejich složení, aby recyklátoři věděli, jak s nimi nejlépe nakládat a to tak, aby samotné označení nebylo hazardem pro provoz baterie. Ideální řešení by bylo, kdyby informace o složení baterie byly dostupné. Dokud jsou tyto informace soukromé mají pouze omezenou naději na to, aby byly recyklátorům skutečně užitečné. Iniciativy směrem ke standardizaci a otevřeným formátům dat by značně usnadnily celý proces recyklace. Čína již naznačila svůj záměr sledovat materiály baterií.

Jedno z řešení problémů s recyklací by byl blockchain, který by umožnil sledování materiálů baterií během celého životního cyklu, včetně informací a transparentnosti ohledně původu těchto materiálů a etických dodavatelských řetězcích. Současné recyklační procesy by také měly vést ke snížení emisí skleníkových plynů ve srovnání s primární výrobou. V současné době jsou objemy baterií elektrických vozidel, které vyžadují recyklaci, stále ještě malé. Jak tyto objemy porostou, bude potřeba řešit otázky týkající se úspor z rozsahu ve vztahu k recyklaci.

Některé továrny na baterie a odborníci na recyklaci začali spolupracovovat, aby se vypořádali s nadcházejícím problémem. Hlavním cílem je vytvořit konkurenceschopná a zisková recyklace baterie.

Lithium-železo-fosfátové baterie (LFP)

Lithium-železo-fosfát (LiFePO4 nebo LFP) je jedním z nejbezpečnějších typů li-ion baterií na trhu. Jmenovité napětí LFP článku je 3,2 V (olověné baterie: 2 V/článek). Lithium-železo-fosfátová baterie se pro použití nemusí plně nabíjet. Její hlavní výhodou je, že její životnost by se mohla dokonce prodloužit, když ji používáte bez plného nabití. Některé další dobré části jsou vynikající jízdní vlastnosti, široké rozsah provozních teplot, nízký vnitřní odpor a vysoká účinnost. V případech, jako je off-grid, může mít účinnost solární energie zásadní význam. Lithium-železo-fosfátové baterie by mohly dosáhnout energetické účinnosti 92 %. Naproti tomu lithiové baterie -železo-fosfátová baterie bude stále dosahovat 90% účinnosti za podmínek mělkého vybíjení.

Lithium je to, co vědci považují za energeticky husté a vzhledem ke své velikosti a hmotnosti poskytuje silný úder. Nejběžnějšími koncepty baterií jsou hustota energie a hustota výkonu. Hustota energie se měří ve watthodinách na kilogram a je to množství energie. baterie dokáže uložit. Hustota výkonu se měří ve wattech na kilogram a je to množství energie, kterou mohou lithium-iontové baterie generovat energii pomocí chemických reakcí. Když jsou baterie vybité a nabité, lithiové ionty se pohybují tam a zpět mezi Elektrolytová katoda a anoda uvnitř baterií. Může však jít o jejich nebezpečnou součást, protože při nesprávném nabití může způsobit požár nebo výbuch.

Deset mýtů o „lithiových“ bateriích

1. Riziko vznícení se odvíjí od typu Li-ion článku a jeho chemismu. Bezpečné jsou články obsahující lithno-železnatý fosfát. Požár může být způsoben intenzivním přebitím - ale to by měla ohlídat elektronika. V případě, že by se například z notebooku kouřilo, doporučuji vypojit z nabíječky, případně hodit do kbelíku s vodou a nechat být.
2. Podle statistik je vzplanutí elektroaut méně časté než u aut se spalovacím motorem. Tesla ve své bezpečnostní zprávě uvádí, že podle dat amerického ministerstva dopravy a Národní asociace požární ochrany došlo v letech 2012 až 2021 k požáru elektromobilu jednou za 210 milionů ujetých mil.
3. V elektromobilu může baterie zůstat do doby, dokud funguje a majitel je s dojezdem auta spokojen. Automobilky dávají záruku, že kapacita baterie neklesne obvykle pod 70 procent původní kapacity do osmi let,nebo před najetím 160 tisíc až 200 tisíc kilometrů.
4. Nedoporučuji je rozebírat doma ani našim studentům na elektrofakultě. V článku se nachází elektrolyt obsahující rozpouštědla na bázi karbonátů a také lithná sůl. Jakmile se do baterky dostane vzdušná vlhkost, dochází k reakci, při níž vzniká kyselina a hrozí, že se člověk nadýchá výparů. Některé články navíc mají pojistku proti úplnému vybití, kterou je třeba nejprve obejít.
5. Výrobce by úplné vybití neměl umožnit. Když uživatel vidí nulu, tak tam bývá ještě 5 až 10 procent standardního bezpečného rozsahu. Kazda nedoporučuje Li-ion baterky u běžných spotřebičů vybíjet na nulu. Tím se jim prodlouží životnost. Stejně tak baterii doporučuje nenabíjet na 100 procent či dlouhodobě držet baterii ve 100 procentním nabití. Elektromobily a některé přístroje to umějí samy regulovat.
6. U použitých surovin uhlíková stopa z těžby, dopravy a vyčištění materiálu pro samotnou výrobu je výrazně vyšší. Zahrnuje to mimo jiné logistiku po celém světě. Když recyklátor vše oddělí na jednom místě, kde v ideálním případě zároveň nové Li-ion články z recyklátu vyrábí, tohle odpadne.
7. Těžba dnes vychází levněji, protože se těží ve velkých objemech a jednotlivé složky se separují léta zaběhnutou metodou. Dochází tak k úsporám z rozsahu. Zejména v rozvojových zemích se do ceny nezapočítávají takzvané negativní externality, jako jsou ekologické náklady nebo zneužívání pracovní síly za nízké mzdy a práce ve špatných pracovních podmínkách.
8. Nejcennějším prvkem při recyklaci lithno-iontových bateriích není lithium, ale kobalt, jehož je v přírodě méně a naleziště nejsou po světě rovnoměrně rozmístěná. Z pohledu vzácnosti použitých kovů následuje nikl a teprve poté lithium.
9. Ohledně nabíjecích baterií do notebooků, mobilů a elektroaut mluvíme o lithno-iontových bateriích. Označení lithiová baterie není správné, značí přítomnost kovového lithia.
10. Žádná baterie nepatří do směsného odpadu. Sběrná místa se nacházejí často v supermarketech a zcela jistě ve sběrných dvorech obcí. Nabíjecí Li-ion baterie lidé tak často samostatně nevyhazují. U některých elektropřístrojů už ani baterka doma vyndat nejde. Buď ji umí vyjmout servis, který ji pošle k recyklaci, anebo se spotřebitel zbaví celého přístroje - opět na sběrné místě.

Legislativa a odpovědnost spotřebitele

Podle Zákona o odpadech č. 541/2020 Sb. je každý zákazník při zakoupení elektrozařízení, nebo akumulátoru povinen zaplatit náklady na zpětný odběr, zpracování, využití a odstranění odpadního elektrozařízení. Zakládáme si na ohleduplném chování vůči životnímu prostředí, a proto vám přinášíme možnosti, jak jednoduše a bezplatně odevzdat svá vysloužilá elektrozařízení/baterie. Spotřebitel má v systému nakládání s elektrospotřebiči a přenosnými bateriemi zcela zásadní roli. On je tím, kdo se rozhoduje, co udělá se starým spotřebičem/baterií. Stará a nepotřebná elektrozařízení a baterie nepatří do netříděného komunálního odpadu, naopak mají být předány prostřednictvím sběrných míst, tzv. míst zpětného odběru, ze kterých putují k opětovnému použití nebo k samotné recyklaci. Spotřebitel musí být informován symboly níže, že příslušné elektrozařízení/baterie nepatří do komunálního odpadu. Jsou tak označena všechna nová elektrozařízení/baterie.

Recyklační závody v Evropě a ve světě

V Evropě již dnes stojí několik velkých recyklačních závodů s kapacitou tisíce tun lithiových baterií ročně. Významný evropský recyklátor je belgický Umicore, který získává kobalt, nikl, hliník, měď. Letos v květnu spustil největší recyklační linku na získávání černého prášku z baterií do elektromobilů švédský Hydrovolt, společný podnik firem Northvolt a Hydro. Má kapacitu 12 tisíc tun bateriových modulů ročně, což představuje baterie z 25 tisíc elektromobilů. Prášek bude dál zpracovávat výrobce baterií Northvolt. Recyklaci baterek z elektroaut plánují budovat také evropské automobilky. Koncern Volkswagen rozjel výzkumný projekt pilotní recyklační linky v dolnosaském Salzgitteru.

tags: #lithiove #baterie #vybiti #recyklace

Oblíbené příspěvky:

• Vliv toxických kovů na dýchací systém
• Poplatky za psy Frýdlant
• Jak zajistit pitnou vodu venku?
• Odpadkový koš na dvířka: Instalace
• Výroba a využití ekologických pytlíků