От мусора к сокровищам:рациональная переработка аккумуляторов электромобилей

Первоначально опубликовано в Национальной лаборатории Айдахо
Хэнк Хоган для INL Communications &Outreach

Литий-ионные аккумуляторы произвели революцию в бытовой и промышленной электронике, проложив путь к беспроводному будущему с меньшим выбросом углекислого газа.

Тем не менее, легкий перезаряжаемый источник энергии для всего, от мобильных телефонов до электромобилей, создает одну большую экологическую проблему:как утилизировать аккумулятор, если он больше не нужен?

Просто выбрасывать его на свалку опасно и расточительно. Пожары могут начаться, когда аккумуляторы бульдозеров разрядятся при перемещении земли и мусора. Кроме того, разряженные батареи содержат ценные элементы, такие как кобальт, литий и марганец, в более высоких концентрациях, чем в промышленных рудах.

Таким образом, переработка потенциально может стать крупным бизнесом, который будет расти вместе с парком электромобилей. Эксперты говорят, что к 2040 году в мире будет 500 миллионов пассажирских электромобилей на дорогах (почти треть прогнозируемого пассажирского парка). К тому времени стоимость сырья для литий-ионных аккумуляторов с истекшим сроком службы вырастет с примерно 0,3 млрд долларов США в 2020 году до 1,1 млрд долларов США к 2025 году и почти 24 млрд долларов США к 2040 году.

ПЕРЕРАБОТКА С МЕНЬШИМ ТЕПЛОМ И ХИМИКАТАМИ

В свете этих растущих проблем и возможностей Национальная лаборатория Айдахо (INL) стремится сделать переработку литий-ионных аккумуляторов проще, эффективнее и потенциально более экологичной. Обнадеживающие результаты этих усилий недавно были опубликованы в журнале Resources, Conservation and Recycling.

Переработка может укрепить цепочку поставок для производителей аккумуляторов, уменьшив потребность в зависимости от потенциально ненадежных источников новых материалов. Вот почему исследование финансировалось Институтом критических материалов Министерства энергетики. Одной из целей института является диверсификация поставок важнейших энергетических материалов, частично за счет повторного использования и переработки.

Nissan Leaf Battery, 2014 г., предоставлено Nissan

Сегодня перерабатывается только около 5% литий-ионных аккумуляторов. Это отчасти связано с тем, что процесс частично ручной, включает высокую температуру и едкие химикаты, а также неэффективен, по словам Тедда Листера, штатного ученого INL и соавтора статьи.

В своей статье исследователи представили доказательство принципа действия другого подхода к переработке аккумуляторов, который работает при комнатной температуре и значительно снижает использование химикатов.

ВЫСОКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИ МЕНЬШИХ ЗАТРАТАХ

Цепочка поставок лития – анализ торговых потоков лития от рудника до завода.
Ссылка на график из Joule 1, 229–243, 11 октября 2017 г.

По словам Листер, новый процесс является электрохимическим. Таким образом, вместо тепла энергия поступает от электричества, которое приводит в действие реакции, выщелачивающие кобальт, литий, марганец и другие материалы из батарей. Исследователи продемонстрировали этот подход в ячейке размером в несколько дюймов сбоку, достаточно маленькой, чтобы ее можно было взять в руки.

Ученые начали с измельченных литий-ионных аккумуляторов из материала, предоставленного компанией Retriev Technologies из Ланкастера, штат Огайо. Компания Retriev, занимающаяся переработкой и управлением батареями, также участвовала в исследовании, как и Solvay, брюссельская компания, которая поставляла химикаты, используемые для разделения металлов.

После разработки электрохимического процесса ученые протестировали его и обнаружили, что могут достичь высоких показателей рекуперации. Они сообщили об эффективности более 96% в отношении извлеченных кобальта, лития, марганца и никеля, которые выходят из процесса в одном выходном потоке. Напротив, медь — металл с высокой коммерческой ценностью — осаждается на катоде, что упрощает последующий процесс разделения, сказал Листер.

Предварительный анализ затрат показал снижение затрат на электроэнергию и химикаты примерно на 80 % по сравнению с существующими методами переработки.

ЧТО ДАЛЬШЕ?

В планы на будущее входит разработка электрохимической процедуры разделения продуктов выщелачивания на кобальт, литий, марганец и никель. Команда также изучает возможность повторного использования другого критического материала, графита, который остается и потенциально может быть переработан.

Затем процессы выщелачивания и разделения необходимо масштабировать до масштабов, пригодных для использования в промышленных условиях. Часть этих усилий будет включать оптимизацию процессов выщелачивания и разделения путем настройки параметров для повышения производительности и эффективности. Помимо партнера по проекту Retiev, ученые INL заинтересованы в сотрудничестве с коммерческими партнерами на следующих этапах.

Наконец, этот тип утилизации аккумуляторов может использовать избыточную энергию, иногда производимую электростанциями коммунального масштаба.

«Вы используете энергию для производства продукта, который впоследствии будет использоваться для производства энергии», — сказал Луис Диас Алдана, ведущий автор статьи, инженер и ученый-электрохимик INL.

Первоначально опубликовано  Национальная лаборатория Айдахо

Избранное изображение предоставлено Министерством энергетики США.