Recyklace Li-ion Baterií: Cesta k Udržitelnosti

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.

Recyklace je proces, kterým lze zpětně získat strategickou surovinu. Je jasné, že opětovné užití recyklovaného materiálu šetří suroviny, které jsou nezbytné pro dlouhodobou udržitelnost li-ion baterií. Nařízení komise EU č. dochází k úspoře materiálů využívaných v bateriích opětovným využitím.

Legislativa a Bezpečnost

V současné době je recyklace určena hlavně legislativními a bezpečnostními požadavky předmětných směrnic a nařízení. Směrnice 2006/66/ES uvádí, jak by měly být různé typy baterií recyklovány. Je tedy jasné, že legislativní stránka hraje velice důležitou roli v tomto odvětví.

Druhý Život Li-ion Baterií

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.

Složení Li-ion Baterií a Demontáž

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. 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.

Čtěte také: Jak recyklovat starý šicí stroj

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.

Metody Recyklace Li-ion Baterií

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.

Pyrometalurgie

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.

Hydrometalurgie

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 přeměněny 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.

Kvalita Recyklace a Udržitelnost

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. 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.

Čtěte také: Zodpovědný přístup k recyklaci kávových kapslí

Pokud chceme zajistit snížení negativních dopadů baterií skrze recyklaci, musíme požadovat vysokou míru recyklace baterií vyskytujících se na trhu a vysokou úroveň výstupní kvality. 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.

Recyklační Linky v Evropě a ČR

Recyklační linky na baterky vyrůstají po celé Evropě včetně Česka. Zatím likvidují lithium-iontové akumulátory z elektrokol, nářadí, mobilů a další elektroniky, případně vadné články pro elektromobily. Tři recyklační linky na lithium-iontové baterie se však už připravují. „Vývoj probíhá v této oblasti obrovským tempem. Výzkumem technologií a procesů souvisejících s recyklací lithiových akumulátorů se zabývají tisíce pracovišť po celém světě,“ říká Robert Raschman, výkonný ředitel společnosti Dekonta, která chce recyklační linku rozjet příští rok ve Slaném. Podobné zařízení připravují Kovohutě Příbram, které plánují jeho spuštění jako první letos na podzim, a kralupská společnost IBG.

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. Lithium ne, posílají to další firmě, která řeší recyklaci,“ říká Kazda. 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. „Chtějí uzavřít řetězec a extrahované materiály znovu používat. Mají smlouvy s několika evropskými automobilkami na dodávku baterií,“ uvádí Kazda.

„Jsem přesvědčen, že v každé zemi by měla být podle potřeby menší či větší recyklační kapacita. Recyklaci baterek z elektroaut plánují budovat také evropské automobilky. Koncern Volkswagen rozjel výzkumný projekt pilotní recyklační linky v dolnosaském Salzgitteru.

Čtěte také: Výzvy v recyklaci tvrzených plastů

Problémy a Výzvy Recyklace

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.

Dnes se celosvětově recykluje zhruba pět procent lithiových baterií. Demontáž probíhá ručně a logistika spadá do kategorie manipulace s rizikovým materiálem. 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.

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.

Vozidla mají velmi odlišné fyzické konfigurace baterií, které vyžadují různé přístupy k demontáži, což činí automatizaci téměř nemožnou. 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.

Alternativní Metody Extrakce

Zatímco mnohdy se k recyklaci používají nejrůznější anorganické kyseliny, které nejsou zrovna vzorem ekologie, vědci použili obyčejnou kyselinu šťavelovou. Jde o organickou kyselinu, kterou najdeme v ovoci a zelenině, výrazně se vyskytuje např. ve šťaveli (odtud i název) nebo rebarboře. V laboratořích si "hráli" s koncentrací kyseliny, dobou zahřívání i teplotou, přičemž nejlepších výsledků dostali při zahřívání po dobu 60 minut na teplotu 60 °C s 0,6M kyselinou šťavelovou. V takovém případě se jim povedlo získat veškerý hliník, který ve směsi byl, tedy dosáhli 100% účinnosti. Pokud jde o lithium, to se povedlo získat z 98,8 %.

Ekonomické Aspekty Recyklace

Hlavním podnětem k recyklaci li-ion baterií je obsah niklu a kobaltu. Z ekonomického hlediska je hlavním pozitivním faktorem možnost získat cenný materiál použitý na výrobu li-ion baterií, při současných cenách je to zejména kobalt. Současná cena kobaltu je na trojnásobku ceny v roce 2016 a velice pozitivně ovlivňuje výsledný zisk z recyklace.

Aby kromě nově vytěžených kovů či jejich sloučenin nakupovali výrobci baterií také recyklát, je má motivovat chystané evropské nařízení. Od roku 2030 se bude muset do nově vyrobených baterií přimíchávat minimálně 12 procent recyklovaného kobaltu a po čtyřech procentech lithia a niklu.

Náklady na recyklační subjekt se skládají z variabilních a fixních nákladů. Variabilní náklady (VC) se zvětšují úměrně s objemem vstupního a výstupního materiálu a záleží na recyklační technologii, vstupní kvalitě materiálu (chemické složení, velikost, kvalita), geografické lokaci, atd.

Fixní náklady nejsou ovlivněny objemem výstupu recyklace, ale pokrývají platy, náklady za prostory atd. Důležitou roli v oblasti fixních nákladů má geografická poloha.

VC se mění s každým rokem a lišily se mezi 900 a 3650 euro na tunu li-ion baterií určených k recyklaci (3400 euro v Nizozemsku, 2500 euro v Dánsku a 2200 euro ve Francii).

Vzhledem k různorodosti technologií li-ion baterií nebude moci recyklační subjekt předpovědět, jaké chemické složení bude tvořit dodávka baterií určená k recyklaci. To přináší určitou nejistotu pro recyklační subjekt.

Z tuny li-ion baterie s chemickým složením LiCoO2 po recyklaci je možné získat zhruba 7302 eur. Jedná se o více jak osminásobek spodní hodnoty a dvojnásobek vrchní hodnoty VC.

Ekologické Výhody Recyklace

Z environmentálního hlediska možnost recyklovat materiály (kobalt, nikl, lithium,…) z li-ion baterií a využít materiál na výrobu nových, sníží zátěž na životní prostředí o 51 %.

Baterie a akumulátory jsou řazeny mezi nebezpečný odpad, který se nesmí skládkovat. Pokud je vyhodíme do komunálního odpadu, hrozí únik škodlivých látek do okolního prostředí, mimo to se baterie dle odhadů rozkládají 200 až 500 let. Baterie obsahují toxické látky, zejména těžké kovy jako rtuť, kadmium a olovo, které při úniku do okolí ohrožují životní prostředí a jsou toxické i pro člověka, například kadmium je klasifikováno jako karcinogen.

Získávání drahých kovů z recyklace je výrazně méně náročné na spotřebu energie, a díky tomu na škodlivé emise, které jsou vypouštěny do ovzduší (např. CO2). Těžba rud drahých kovů a její doprava a zpracování je mnohem více energeticky náročné než získání drahých kovů z již vyrobených baterií.

Druhý Život Baterií

Ještě předtím, než se baterie rozeberou na prvočinitele a rozemelou, dostanou některé z nich šanci na druhý život. Dají se využít například jako bateriové úložiště pro uchovávání energie vyprodukované solárními panely.

V hierarchii nakládání s odpady je opětovné použití či druhý život baterií považován za mnohem výhodnější než recyklace.

Typy Baterií a Jejich Recyklace

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. Každý bateriový článek má specifické problémy s recyklací.

Rozdílné složení baterií nicméně komplikuje jejich recyklaci. Recyklátor přesně nezná složení, takže nemůže materiály správně roztřídit. Evropská komise proto chystá nařízení, podle něhož by měla každá baterie v elektromobilu jakýsi rodný list.

Druhy baterií:

• Alkalicko-manganové (AlMn)
• Nikl-kadmiové (NiCd)
• Lithium-iontové (Li-ion)
• Nikl-metal hydridové (NiMH)
• Lithium-polymerové (Li-pol)
• Olověné akumulátory
• Lithiové
• Zinko-uhlíkové (ZnC)

Automatizace Recyklace

Vozidla mají velmi odlišné fyzické konfigurace baterií, které vyžadují různé přístupy k demontáži, což činí automatizaci téměř nemožnou. Demontáž bateriových sad z elektromobilů navíc vyžaduje vysokonapěťové školení a izolované nástroje, aby se předešlo smrti elektrickým proudem nebo zkratu baterie.

Iniciativy a Standardizace

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. Iniciativy směrem ke standardizaci a otevřeným formátům dat by značně usnadnily celý proces recyklace.

tags: #recyklace #lion #baterií #proces

Oblíbené příspěvky:

• Škoda Octavia 1.9 TDI a ekodaň
• Tipy pro Ekologické Bydlení
• Bioodpad a udržitelnost
• KT emise
• Normy pro odpadové nádoby v ČR