Сегодня переработка аккумуляторов выглядит примерно так: батарею бросают в печь и плавят при температуре 900 °C, или отправляют в измельчитель, где шинкуют на мелкие кусочки. В итоге большинство полезных элементов и металлов, которые могли бы служить дальше, уничтожаются. Поэтому тот, кто разработает новый способ рециклинга литий-ионных аккумуляторов, выиграет солидный куш на рынке: сэкономит компаниям и экологии огромное количество ресурсов. Ведь металлы, использующиеся в батареях, будут только дорожать.
Ко всему прочему, по прогнозам к 2025 году электротранспорт займёт около 12% от всего объёма транспорта, а к 2040 году — 58%. И лития, основного элемента в аккумуляторах, в таком количестве для электромобилей может не хватить.
Из литий-ионных аккумуляторов добывают:
• литий (LCE, карбонат лития) — больше всего;
• никель и магний — средняя доля;
• кобальт — меньше всего.
Создание литий-ионных аккумуляторов на самом деле сложный технологический процесс, который включает добычу редкоземельных металлов и их транспортировку на большие расстояния, что само по себе наносит вред окружающей среде. Также главные критики электротранспорта всегда указывают на сложные и грязные процессы утилизации и переработки аккумуляторов.
Прямая переработка является альтернативой. Руками разбирают батарею и сохраняются материалы катода и анода для восстановления
К слову, в мире батарей со второй «жизнью» сейчас больше, чем новых, но качество их рециклинга оставляет желать лучшего. Ведь при современных способах переработки теряется большое количество ценных металлов, которыми так богаты аккумуляторные батареи. После перемалывания или сжигания аккумуляторов получается шлак, из которого гидрометаллургическими методами извлекаются ценные элементы: в первую очередь литий, кобальт, никель. Это дорогое сырьё, поэтому его отделяют и вновь пускают в производство материалов для тех же изделий. Конечно, потерь при таком способе не избежать: порядка трети полезных металлов уходит в утиль.
Блок литиевых батарей содержит модули элементов, и именно там находятся ценные металлы. Туда можно добраться вручную, но это непростая задача даже для опытного «раздельщика» аккумуляторов.
Кстати, в Китае, который производит больше всех в мире аккумуляторных батарей, занимаются как раз прямой переработкой, а не измельчением. То есть там не перемалывают утиль, а вручную извлекают ценные компоненты.
Вторичная переработка в Китае приносит:
• 2018 — 50 000 метрических тонн элементов питания;
• 2019 — 70 000 тонн;
• 2020 — 100 000 тонн;
• 2021 — 125 000 тонн;
• 2022 — 135 тонн.
В отчёте Геологической службы США отмечается, что около двух десятков компаний в Северной Америке и Европе занимаются переработкой литиевых батарей или планируют это сделать — по сравнению с одним предприятием всего несколько лет назад.
Курчатовский проект
В НИЦ «Курчатовский институт» на этой неделе предложили комплексную технологию переработки литий-ионных аккумуляторов, разбив процесс на две стадии рециклинга. Результаты исследования опубликованы в журнале «Металлург».
Как подчеркнул Дмитрий Макаренков, первый заместитель руководителя Курчатовского комплекса химических исследований, новая комплексная технология позволяет перерабатывать различные типы литий-ионных аккумуляторных батарей без серьёзной перенастройки технологического оборудования. Этот метод универсален для источников тока как от бытовых приборов, так от электротранспорта, вплоть до электробусов, которые курсируют во многих городах. Между прочим, в Москве, где они появились одними из первых в России, срок годности батарей у многих электробусов заканчивается уже в этом году.
Зарождающейся индустрии вторичной переработки необходимо экономически деконструировать множество форматов
По задумке учёных из Курчатовского института, на первой стадии в шаровой мельнице или дезинтеграторе, происходит механоактивация частиц с увеличением их удельной поверхности и пористости. Это интенсифицирует массообменные процессы, что повышает выход соединений кобальта, никеля, лития и других элементов. Также инженеры предложили стадию гранулирования побочных продуктов, образующихся в ходе переработки. Это снимет все вопросы экологической безопасности.
«После разрядки аккумуляторов образуется осадок — гидроксид железа. На стадии выщелачивания остается непрореагировавший продукт — графит. Эти побочные продукты в нашей технологии можно перевести в гранулированное состояние, — поясняет Василий Ретивов, заместитель директора Курчатовского института по химическим исследованиям и технологиям. — Гранулы проще и дешевле утилизировать, чем, например, порошки. Поэтому гранулирование обеспечивает и большую экологическую безопасность разработанной технологии, и удобство дальнейшей переработки образующихся побочных продуктов».
Заходы СПбГУ, МИСИС и РАН
Проблему с графитом ещё год назад постарались решить и в СПбГУ. Результаты их исследования были опубликованы в авторитетном Journal of Environmental Chemical Engineering.
Сложность переработки графита из них состоит в том, что традиционными методами утилизации аккумуляторов (пиро- и гидрометаллургия) технически невозможно получить графит (он сгорает в процессе), а методами прямой переработки получают графит, на поверхности которого в процессе эксплуатации в аккумуляторе образуется нестабильный и неоднородный твёрдый электролитный слой. Учёные придумали способ переработки анодов, который позволит эффективно проводить очистку графита. А также формировать на его поверхности электропроводную и устойчивую к деградации структуру — слой оксида графена.
Для всех литий-ионных аккумуляторов схема зарядки одинаковая и она включает в себя три этапа. На первом этапе используется заряд небольшим током, до 2,8-2,9 В. Затем идет основной этап, где напряжение поднимается от 3,2 В до 4,2 В. На последнем этапе (обычно это 15-20% от ёмкости аккумулятора) напряжение стабилизируется на 4,2 В, а заряд идёт минимальным током
Мы предложили простой, быстрый и дешёвый способ переработки отработанных анодов с помощью плазменного разряда над поверхностью жидкости при измельчении графита в порошок. Этот процесс занимает всего 30–60 минут», — цитирует РИА Новости одного из авторов исследования, научного сотрудника кафедры электрохимии СПбГУ Евгения Белецкого. При такой технологии можно повторно использовать графит при изготовлении литий-ионных аккумуляторов.
Ранее учёные НИТУ МИСИС представили свою технологию переработки литиевых батарей для электротранспорта. По сути, это полный инжиниринговый цикл: от безопасного вскрытия и определения количества техногенного сырья, подлежащего извлечению и рециклингу, до внедрения линий переработки. Особенность — в универсальном методе вскрытия разряженных в нули батарей при помощи криогенно-вакуумной установки. Технология представляет собой многоступенчатую цепочку, которая включает в себя извлечение элементов аккумулятора, получение в ходе выщелачивания нержавеющей стали, никеля и титана и ряда отдельных химических операций по выделению лития из раствора.
А в 2022 году «кулибины» из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН продемонстрировали технологию с использованием нового поколения растворителей. Результаты исследования были опубликованы в журнале Processes. Особенность этого способа в так называемых глубоких эвтектических растворителях, которые представляют собой жидкую при комнатной температуре смесь двух органических веществ. Главное достоинство такого подхода — возможность тонкой настройки экстракционных свойств и, соответственно, разделения самых сложных смесей.
Как мы видим, выбирать есть из чего, осталось дело за «малым»: обкатать эти разработки и внедрить их, к примеру, в Дзержинске, где планируется построить экотехнопарк «Центр». Там будут заниматься переработкой литий-ионных батарей для электротранспорта.
Егор Петров
