Optimalizace recyklačního cyklu baterií

S přechodem na ekologické technologie a obnovitelné zdroje energie poptávka po bateriích rychle roste. To platí zejména pro lithium-iontové (Li-ion) baterie, které pohánějí širokou škálu komponent, včetně chytrých telefonů, elektromobilů a systémů pro skladování energie. Tato rostoucí závislost na li-ionových bateriích však vyžaduje udržitelný dodavatelský řetězec baterií a strategii pro nakládání se vznikajícím odpadním materiálem, protože stále více baterií končí svou životnost.

Li-ion baterie lze recyklovat třemi hlavními způsoby: pyrometalurgií, hydrometalurgií nebo přímou recyklací, přičemž části těchto procesů lze také kombinovat. Ve většině případů tyto techniky vyžadují před recyklací baterie předúpravu, která spočívá ve vybití nebo inaktivaci, demontáži a separaci.

Elektrického vybití lze dosáhnout, když lze hospodárně uložit zbytkovou energii li-ionové baterie. V opačném případě je nutná inaktivace ponořením do inertního vodného roztoku, aby se zabránilo hoření. Vybité nebo inaktivované baterie lze ručně rozebrat, aby se zachovaly jejich součásti. Tento proces je však časově náročný a pracovníci jsou při něm vystaveni působení nebezpečných materiálů. Nejjednodušší metodou demontáže je rozdrcení nebo rozdrcení baterií na malé kousky, které se často provádí ve vakuu nebo v inertní atmosféře. To však znemožňuje neporušené oddělení proudových sběračů a obalů baterií, což vede k vyšším nákladům na následnou recyklaci.

Po předúpravě se li-ion baterie dále zpracovávají, aby se z nich získaly cenné kovy, jako je lithium, kobalt, mangan, měď, nikl a železo.

Pyrometalurgické procesy vyžadují vystavení materiálů vysokým teplotám v inertním prostředí, aby se zabránilo jejich hoření. Tento proces je jednoduchý, škálovatelný a účinný pro získávání kobaltu, manganu, mědi, niklu a železa. Vyžaduje však velké množství energie, což má za následek nižší výtěžnost získaného lithia než jiné techniky. Vyšší čistoty získaných kovů lze dosáhnout kombinací pyrometalurgických a hydrometalurgických postupů.

Hydrometalurgie využívá rozpouštění ve vodě k ionizaci aktivních materiálů, přičemž se kovy odstraňují loužením pomocí kyselin, zásad nebo bioorganických materiálů. Tato metoda zajišťuje přesnou výtěžnost, vyšší čistotu produktu a výrazně nižší spotřebu energie než pyrometalurgie. Použití nebezpečných chemikálií však představuje bezpečnostní rizika jak pro personál, tak pro životní prostředí. Ke zmírnění těchto rizik je proto nutné pečlivé nakládání s odpadními roztoky a zachycování toxických plynů.

Na rozdíl od tradičních metod, které rozkládají katodový materiál na jednotlivé prvky, se přímá recyklace neboli „recyklace katody na katodu“ zaměřuje na separaci a omlazení použitého materiálu. Tento přístup se používá k obnově kapacity li-ionových baterií.

Přímá recyklace vyžaduje méně kroků předúpravy a chemických rozpouštědel ve srovnání s pyrometalurgií a hydrometalurgií. Tato metoda produkuje produkty s vyšší čistotou, čímž snižuje poptávku po vytěžených materiálech a přispívá k udržitelnějšímu oběhovému hospodářství baterií. Významným omezením přímé recyklace je její závislost na jednom typu katody. Vzhledem k nedostatečné standardizaci konstrukce baterií a chemického složení článků je pro úspěšnou realizaci tohoto procesu rozhodující pečlivé oddělení jednotlivých komponent.

Bioloužení je novou metodou recyklace, ale jeho životaschopnost ve velkém měřítku zůstává nejistá. Při tomto procesu se pomocí bakterií získávají specifické bminerály z baterií. Bioloužení se úspěšně používá v těžebním průmyslu a může sloužit jako doplňkový proces k hydrometalurgii a pyrometalurgii.

Robotická demontáž použitých baterií je rychle se rozvíjející technologie se slibným potenciálem. Tato metoda automatizuje proces demontáže baterií, čímž zvyšuje efektivitu a snižuje nebezpečí vystavení člověka toxickým materiálům baterií. Navzdory významnému pokroku se robotická demontáž použitých baterií stále potýká s problémy, které představují rozdíly v konstrukci baterií a nestandardní součásti, jako je flexibilní kabeláž umístěná na různých místech od jedné baterie ke druhé. Pro řešení těchto složitostí jsou nezbytné pokročilé algoritmy schopné adaptivního a inteligentního provozu. K řešení těchto a dalších složitých problémů demontáže je nezbytná optimalizace automatizace, zejména s ohledem na stále se zvyšující potřeby recyklace baterií.

Efektivnější techniky demontáže a schopnost zachránit celé součásti snižují potřebu nových materiálů pro výrobu nových baterií. To následně snižuje uhlíkovou stopu výroby baterií a zároveň zvyšuje celkovou kapacitu dodavatelského řetězce baterií.

Přestože jsou tyto procesy recyklace baterií účinné při získávání minerálů z li-ionových baterií, přetrvávají obavy o životní prostředí a bezpečnost. Například chemické procesy používané při hydrometalurgické recyklaci zahrnují použití kyselin, silných rozpouštědel, toxických chemikálií a dalších potenciálně nebezpečných látek. Je třeba s nimi pečlivě zacházet, aby nedošlo k poškození člověka nebo kontaminaci životního prostředí. Některé mechanické a chemické metody recyklace navíc vyžadují vysoké teploty a spotřebu energie. To přispívá k celkové uhlíkové stopě recyklačního procesu a vyvolává obavy o jeho čistou udržitelnost.

Většina lithium-iontových baterií je navíc po skončení životnosti klasifikována jako nebezpečný odpad, a to z několika důvodů souvisejících s jejich chemickým složením, možností vzniku požáru a negativním dopadem na životní prostředí. Při demontáži a zpracování baterií je nejdůležitější bezpečnost pracovníků. Vystavení toxickým materiálům a riziko požáru nebo výbuchu vyžadují dodržování přísných bezpečnostních protokolů. Řešení těchto problémů má zásadní význam pro zefektivnění recyklace baterií, zvýšení její bezpečnosti, šetrnosti k životnímu prostředí a dlouhodobé ekonomické životaschopnosti.

Dosažení oběhového hospodářství baterií vyžaduje téměř úplné využití aktivních materiálů, plastů a kovových fólií používaných při výrobě baterií. To přesahuje rámec tradiční recyklace a vyžaduje přehodnocení konstrukce, používání a likvidace baterií. Udržitelná správa baterií je rozhodující pro vytvoření uzavřeného systému a maximalizaci jejich opětovného využití nebo recyklace.

Jedním z přístupů jsou aplikace druhé životnosti, kdy jsou použité baterie znovu použity pro méně náročné aplikace, například pro systémy skladování energie z obnovitelných zdrojů. Tím se prodlužuje životnost baterií a snižuje potřeba nových baterií, čímž se snižuje poptávka po zpracovaných minerálech.

Zásadní roli při uzavírání smyčky baterií hrají také politika a předpisy. Vlády a regulační orgány musí zavést normy a pobídky, které podpoří správnou likvidaci baterií, recyklaci a využití recyklovaných materiálů v nových bateriích. Vypracování rozumných zákonů vyžaduje spolupráci mezi tvůrci politik, zúčastněnými stranami z průmyslu a koncovými uživateli, aby se podpořil udržitelný ekosystém baterií.

Baterie do elektromobilů, převážně li-ionové, lze recyklovat popsanými postupy. Velké rozměry, hmotnost a složitost baterií pro elektromobily však znásobují problémy spojené se zpětným získáváním minerálů.

Přestože čelí kapacitním problémům, účinnost recyklace baterií pro elektromobily se díky výše zmíněným inovacím rychle zlepšuje. Recyklace baterií ve velkém měřítku se stává stále důležitější oblastí výzkumu kvůli rychle rostoucímu počtu baterií vyžadujících budoucí recyklaci. Tento počet úměrně roste s tím, jak na silnice vyjíždí rekordní počet elektromobilů a jak se rozšiřují systémy skladování energie založené na bateriích.

Závody na recyklaci práškových li-ion baterií získávají cenné materiály z použitých baterií jejich přeměnou na prášek. Tato zařízení se stále častěji používají pro opětovné použití v nových bateriích. Výslednou „černou hmotu“ prášku z rozbitých baterií rozmělňují na jednotlivé složky pro vyšší využití minerálů. Toho se obvykle dosahuje tepelným zpracováním o vysoké intenzitě, například tavením nebo pražením (pyrometalurgie), nebo chemickým loužením (hydrometalurgie). Tepelné zpracování je sice jednodušší, ale ve srovnání s loužením vede k nižší čistotě složek. Proto se často používá kombinace obou metod, která využívá výhod každé z nich.

Práškové závody na recyklaci li-ion baterií ukazují potenciál pokročilých recyklačních technologií pro uzavření smyčky v dodavatelském řetězci baterií. Zpětné získávání vysoce čistých materiálů v opakovaně použitelných formách pomáhá snižovat potřebu těžených materiálů, čímž se snižuje dopad výroby baterií na životní prostředí.

Recyklace baterií má zásadní význam pro udržitelné hospodaření se zdroji ve světě, který je stále více závislý na nefosilních zdrojích energie. Přestože se tento proces a související technologie rychle vyvíjejí, problémy přetrvávají. Díky neustálým inovacím a spolupráci se však odvětví přibližuje k dosažení systémů s uzavřeným cyklem, které maximalizují hodnotu použitých baterií. Mezitím tento přístup minimalizuje dopad výroby nových baterií na životní prostředí.