Bateriile Li-ion în prezent și viitor: eficiență și reciclare

Pe măsură ce zgomotul liniștit al vehiculelor electrice înlocuiește treptat turațiile și fumul nociv al motoarelor cu ardere internă, o serie de schimbări sunt setate să filtreze prin lumea noastră familiară. Mirosul copleșitor al benzinăriilor va fi înlocuit cu stații de încărcare inodore, unde mașinile își pot reîncărca bateriile după cum este necesar.

Între timp, amplasamentele de generatoare alimentate cu gaz care punctează orizontul pot fi modernizate pentru a găzdui baterii masive care ar putea într-o zi să alimenteze orașe întregi cu energie regenerabilă.

Acest viitor electrificat este mult mai aproape decât ai putea crede. General Motors a anunțat la începutul acestui an că intenționează să înceteze să mai vândă vehicule pe benzină până în 2035. Scopul Audi este să înceteze să le producă până în 2033, iar multe alte mari companii auto urmează exemplul. De fapt, potrivit BloombergNEF, două treimi din vânzările de vehicule de pasageri din lume vor fi electrice până în 2040. Iar sistemele la scară de rețea din întreaga lume cresc rapid datorită tehnologiei avansate de stocare a bateriilor.

Cum funcționează bateriile

Deși aceasta poate suna a calea ideală către energie durabilă și călătorii rutiere, există o mare problemă. În prezent, bateriile cu litiu (Li) ion sunt cele utilizate în mod obișnuit în vehiculele electrice și megabateriile folosite pentru a stoca energie din surse regenerabile, iar bateriile Li sunt greu de reciclat.

Un motiv este că cele mai utilizate metode de reciclare a bateriilor mai tradiționale, cum ar fi bateriile cu plumb-acid, nu funcționează bine cu bateriile Li. Acestea din urmă sunt de obicei mai mari, mai grele, mult mai complexe și chiar periculoase dacă sunt demontate greșit.

În instalația obișnuită de reciclare a bateriei, piesele bateriei sunt mărunțite într-o pulbere, iar apoi acea pulbere este fie topită (pirometalurgie), fie dizolvată în acid (hidrometalurgie). Dar bateriile Li sunt formate din o mulțime de părți diferite care ar putea exploda dacă nu sunt dezasamblate cu grijă. Și chiar și atunci când bateriile Li sunt reciclate în acest fel, produsele nu sunt ușor de reutilizat.

„Metoda actuală de pur și simplu mărunțire totală și încercarea de a purifica un amestec complex are ca rezultat procese costisitoare cu produse de valoare redusă”, spune Andrew Abbott, chimist la Universitatea din Leicester. Drept urmare, costă mai mult să le reciclezi decât să extragi mai mult litiu pentru a face altele noi. De asemenea, din moment ce metodele ieftine și la scară largă de reciclare a bateriilor Li sunt în urmă, doar aproximativ 5% dintre bateriile Li sunt reciclate la nivel global, ceea ce înseamnă că majoritatea sunt irosite.

Dar, pe măsură ce crește cererea de vehicule electrice, așa cum se preconizează, impulsul de a recicla va crește în industria bateriilor și a autovehiculelor.

Deficiențele actuale în reciclarea bateriilor Li nu sunt singurul motiv pentru care reprezintă o problemă pentru mediu. Exploatarea diferitelor metale necesare bateriilor Li necesită resurse vaste. Este nevoie de 2.273.000 de litri de apă pentru a extrage o tonă de litiu. În salina Atacama din Chile, exploatarea litiului a fost legată de scăderea vegetației, temperaturi mai calde în timpul zilei și creșterea condițiilor de secetă în zonele rezervațiilor naționale. Deci, chiar dacă vehiculele electrice pot ajuta la reducerea emisiilor de dioxid de carbon pe durata lor de viață, bateria care le alimentează își începe viața încărcată cu o amprentă mare asupra mediului.

Dacă milioanele și milioanele de baterii Li care se vor epuiza după aproximativ 10 ani de utilizare sunt reciclate mai eficient, totuși, va ajuta la neutralizarea tuturor acestor cheltuieli de energie. De altfel, mai multe laboratoare au lucrat la rafinarea unor metode de reciclare mai eficiente, astfel încât, în cele din urmă, o modalitate standardizată și ecologică de reciclare a bateriilor Li va fi gata să răspundă cererii în creștere.

„Trebuie să găsim modalități de a-l face să intre în ceea ce numim un ciclu de viață circular, pentru că litiul, cobaltul și nichelul necesită multă energie electrică și mult efort pentru a fi extrase și rafinate și transformate în baterii. Nu mai putem considera că bateriile sunte de unică folosință”, spune Shirley Meng, profesor în tehnologii energetice la Universitatea din California, San Diego.

Cum se reciclează bateriile Li

O celulă de baterie Li are un catod metalic sau un electrod pozitiv care colectează electroni în timpul reacției electrochimice, format din litiu și un amestec de elemente care includ de obicei cobalt, nichel, mangan și fier. Are, de asemenea, un anod, sau electrodul care eliberează electroni în circuitul extern, făcut din grafit, un separator și un electrolit de un fel, care este mediul care transportă electronii între catod și anod. Ionii de litiu care se deplasează de la anod la catod formează un curent electric. Metalele din catod sunt cele mai valoroase părți ale bateriei și acestea sunt părțile pe care chimiștii se concentrează să le conserve și recondiționeze atunci când demontează o baterie Li.

Meng spune să ne gândim la o baterie Li ca la un raft cu multe straturi, iar ionii de litiu se deplasează rapid pe fiecare raft, revenind de fiecare dată la raftul de sus – un proces numit intercalare. După ani și ani, raftul de cărți începe în mod natural să se strice și să se prăbușească. Deci, atunci când chimiști precum Meng demontează o baterie Li, acesta este genul de degradare pe care îl văd în structură și materiale.

„Putem găsi de fapt mecanismele fie folosind căldura, fie un fel de metodă de tratament chimic, putem pune raftul înapoi”, spune Meng. „Așa că putem lăsa acele materiale reciclate și recondiționate să se întoarcă la linia de asamblare la fabricile de baterii Li pentru a fi transformate în baterii noi”.

Îmbunătățirea reciclării bateriilor Li și, în cele din urmă, a face piesele lor reutilizabile va reinfuza valoare în bateriile Li deja existente. Acesta este motivul pentru care oamenii de știință pledează pentru procesul de reciclare directă descris de Meng – pentru că poate oferi celor mai prețioase părți ale bateriilor Li, cum ar fi catodul și anodul, o a doua viață. Acest lucru ar putea compensa în mod semnificativ energia, deșeurile și costurile asociate cu fabricarea acestora.

Însă, dezasamblarea bateriilor Li se face în prezent în mod predominant manual în setările de laborator, care va trebui să se schimbe dacă reciclarea directă va concura cu metodele de reciclare mai tradiționale. „În viitor, va trebui să existe mai multă tehnologie în dezasamblare”, spune Abbott. „Dacă o baterie este asamblată folosind roboți, este logic că trebuie să fie dezasamblată în același mod.”

Echipa lui Abbott de la Instituția Faraday din Marea Britanie investighează dezasamblarea robotizată a bateriilor Li ca parte a Proiectului ReLib, care este specializat în reciclarea și reutilizarea bateriilor Li. Echipa a găsit, de asemenea, o modalitate de a realiza reciclarea directă a anodului și catodului folosind o sondă cu ultrasunete, „similar cu ce folosește medicul dentist pentru a îți curăța dinții”, explică el. „Se concentrează ultrasunetele pe o suprafață care creează bule minuscule care implodează și explodează stratul de pe suprafață.” Acest proces evită nevoia de a distruge piesele bateriei, ceea ce poate face recuperarea lor extrem de dificilă.

Conform cercetărilor echipei lui Abbott, această metodă de reciclare cu ultrasunete poate procesa de 100 de ori mai mult material în aceeași perioadă decât metoda mai tradițională de hidrometalurgie. El spune că se poate face și pentru mai puțin de jumătate din costul creării unei baterii noi din material virgin.

Baterii degradabile

Unii oameni de știință pledează pentru o îndepărtare de la bateriile Li, în favoarea celor care pot fi produse și defalcate în moduri mai ecologice. Jodie Lutkenhaus, profesor de inginerie chimică la Universitatea Texas A&M, a lucrat la o baterie care este făcută din substanțe organice care se pot degrada la comandă.

„Multe baterii de astăzi nu sunt reciclate din cauza costurilor de energie și forță de muncă asociat”, spune Lutkenhaus. „Bateriile care se degradează la comandă pot simplifica sau reduce bariera în calea reciclării. În cele din urmă, aceste produse de degradare ar putea fi reconstituite înapoi într-o baterie nouă, proaspătă, închizând ciclul de viață al materialelor”.

Este un argument corect având în vedere că și atunci când o baterie Li este demontată și piesele sale sunt recondiționate, vor mai exista unele piese care nu pot fi salvate și devin deșeuri. O baterie degradabilă precum cea la care lucrează echipa Lutkenhaus ar putea fi o sursă de energie durabilă.

Bateriile organice radicale (ORB) există încă din anii 2000 și funcționează cu ajutorul materialelor organice care sunt sintetizate pentru a stoca și elibera electroni. „O baterie organică radicală are două dintre aceste materiale, ambele acționând ca electrozi, care funcționează împreună pentru a stoca și elibera electroni sau energie împreună”, explică Lutkenhaus.

Echipa folosește un acid pentru a-și descompune ORB-urile în aminoacizi și alte produse secundare, cu toate acestea, condițiile trebuie să fie potrivite pentru ca piesele să se degradeze în mod corespunzător. „În cele din urmă am descoperit că acidul la căldură ridicată a funcționat”, spune Lutkenhaus.

Există totuși o serie de provocări pentru această baterie degradabilă. Materialele necesare pentru a o crea sunt scumpe și încă nu pot furniza cantitatea de energie necesară pentru aplicații cu cerere mare, cum ar fi vehiculele electrice și rețelele electrice.

Următorul pas pentru oamenii de știință care promovează reciclarea directă a bateriilor Li este colaborarea cu producătorii de baterii și fabricile de reciclare pentru a eficientiza procesul de la construcție până la defalcare.

„Încurajăm cu adevărat toți producătorii de celule de baterii să codifice toate bateriile, astfel încât, cu tehnici robotice AI, putem sorta cu ușurință bateriile”, spune Meng. „Este nevoie de întregul domeniu pentru a coopera unul cu celălalt pentru ca acest lucru să se întâmple”.

Bateriile Li sunt folosite pentru a alimenta multe dispozitive diferite, de la laptopuri la mașini la rețelele electrice, iar componența chimică diferă în funcție de scop, uneori semnificativ. Acest lucru ar trebui să se reflecte în modul în care sunt reciclate. Oamenii de știință spun că fabricile de reciclare a bateriilor trebuie să separe diferitele baterii Li în fluxuri separate, similar cu felul în care diferitele tipuri de plastic sunt sortate atunci când sunt reciclate, pentru ca procesul să fie cel mai eficient.

În ceea ce privește producția, producătorii de baterii și de mașini lucrează la reducerea materialelor necesare pentru construirea bateriilor Li pentru a ajuta la reducerea cheltuielilor de energie în timpul exploatării miniere și a deșeurilor pe care fiecare baterie le creează la sfârșitul duratei sale de viață.

Producătorii de mașini electrice au început, de asemenea, să refolosească și să-și reutilizeze propriile baterii în mai multe moduri diferite. De exemplu, Nissan recondiționează bateriile vechi de pe mașinile Leaf și le pune în vehicule cu ghidaj automat, care aduc piese la fabricile sale.

Concluzie

Creșterea constantă a cererii de piață pentru vehicule electrice face deja companii din industria auto să cheltuiască miliarde de dolari pentru creșterea durabilității bateriilor Li. Cu toate acestea, China este în prezent cel mai mare producător de baterii Litiu de departe și, ulterior, este în avans când vine vorba de reciclare a acestora.

Adoptarea pe scară largă a metodelor standardizate de reciclare a bateriilor Li care includ fluxuri de sortare pentru diferite tipuri le va aduce un pas mare mai aproape. Între timp, folosind tehnologia AI pentru recondiționarea celor mai utile părți, cum ar fi catodul, ar putea ajuta țările cu provizii mici de componente ale bateriilor Li să nu fie nevoite să se bazeze atât de mult pe China.

Dezvoltarea de noi baterii care ar putea rivaliza cu bateria Li va zgudui, de asemenea, industria, creând o concurență sănătoasă. „Cred că face lumea mai bine dacă diversificăm portofoliul pentru stocarea bateriilor, în special pentru stocarea în rețea”, spune Meng.

Apariția unei baterii mai puțin complexe, mai sigure, care este mai ieftin de făcut și mai ușor de separat la sfârșitul duratei de viață, este răspunsul final la problema actuală de sustenabilitate a vehiculelor electrice. Dar până la apariția unei astfel de baterii, standardizarea reciclării bateriilor Li este o mișcare semnificativă în direcția corectă.

Și în anul 2025, când milioane de baterii EV ajung la sfârșitul ciclului de viață inițial, un proces de reciclare simplificat va părea mult mai atrăgător pentru economiile din întreaga lume. Deci, probabil, până când vehiculele electrice vor deveni forma predominantă de transport, vor exista șanse mari ca bateriile lor să se pregătească pentru o a doua viață.