ELEKTROMOBILITA
Recyklace lithium-iontových baterií
Jaké materiály jsou z pohledu opětovného získávání klíčové? A proč lithium-iontové baterie nekončí na skládkách? Zjistěte více o metodách recyklace lithium-iontových baterií.
Když baterie doslouží, co s ní dál? Díky recyklaci můžeme z použitých lithium-iontových baterií získat zpět cenné materiály, a pak je znovu použít pro výrobu nových baterií nebo jiných produktů. Tento postup, který je v současnosti stěžejním tématem cirkulární ekonomiky, nám výrazně pomáhá snižovat množství odpadu a šetřit přírodní zdroje.
Proč vlastně chceme – a potřebujeme – baterie recyklovat? Především tak snižujeme potřebu těžby nových surovin, kterou často doprovází negativní dopady na životní prostředí, jako třeba degradace krajiny, znečištění vody, zvýšená produkce skleníkových plynů a sociální problémy. Navíc tak samozřejmě šetříme peníze a snižujeme závislost na nestabilních dodavatelských řetězcích.
Víte, že…
Zvyšování stability a bezpečnosti struktur v bateriích znamená, že daný prvek (či skupina prvků) pomáhá udržovat chemickou stabilitu aktivních materiálů, a zabraňuje tak nežádoucím reakcím vedoucím k degradaci baterie. Mangan navíc také přispívá k termální stabilitě, čímž snižuje riziko přehřátí a potenciálních požárů. Tím zajišťuje konzistentní výkon baterie a prodlužuje její životnost. Navíc zvyšuje mechanickou stabilitu elektrod, což zvyšuje celkovou bezpečnost baterií při jejich každodenním používání. Tyto vlastnosti jsou klíčové pro spolehlivý a bezpečný provoz baterií a jejich systémů.
Co recyklací získáme?
V rámci recyklačního procesu se z baterií získávají různé materiály. Z elektrod to jsou především vzácné kovy, jako kobalt, nikl, mangan a lithium. Z proudových kolektorů pak můžeme získat jiné důležité kovy, jako je hliník nebo měď. Materiály vzácných kovů jsou vysoce ceněné, především kvůli možnosti jejich dalšího využití v nových bateriových článcích. Kobalt a nikl jsou klíčové pro udržení vysoké energetické hustoty a dlouhé životnosti baterií, mangan zvyšuje stabilitu a bezpečnost struktur, zatímco lithium je nezbytné pro funkci samotného bateriového článku.
Chcete od nás dostávat další užitečné materiály nebo třeba pozvánky na akce?
Kolik toho z použité baterie získáme zpět?
Účinnost recyklace je proměnlivá a závisí na konkrétní technologii a postupu. Mezi moderní metody recyklace patří pyrometalurgie a hydrometalurgie, o kterých si ke konci článku povíme víc. Ty umožňují dosáhnout vysoké míry zpětného získání materiálů, u některých kovů dokonce až s 90% účinností. Výzkum v této oblasti neustále pokračuje s cílem zlepšit efektivitu a snížit náklady na recyklaci, aby se celý proces vyplatil.
Protože baterie představují klíčovou technologii udržitelné mobility a přispívají k dosažení cílů klimatické neutrality do roku 2050, vyžaduje recyklaci lithium-iontových baterií sám zákon. Mezi hlavní cíle patří účinnost recyklačních procesů, zpětné získávání materiálů či minimální množství recyklovaného obsahu, které bude v rámci další produkce nutné využívat.
Víte, že…
Ve státech EU platí od 18. února 2024 nařízení, které stanovuje pravidla pro celý životní cyklus baterií – od jejich konstrukce, přes výrobu, až po zpětný odběr, využití a recyklaci. Nově budou baterie vybaveny QR štítkem se všemi nezbytnými informacemi – například o kapacitě, výkonu či chemickém složení – a bateriovým pasportem, ve kterém mimo jiné najdeme třeba detaily o původu surovin a jejich zpracování.
Recyklační předpříprava
Samotný proces recyklace můžeme z hlediska technologie rozdělit na takzvanou recyklační předpřípravu a samotnou metodu recyklace, při které dochází ke znovuzískání vybraných materiálů. Díky recyklační předpřípravě můžeme z použité baterie vytěžit větší množství cenných materiálů, minimalizovat ztráty a zajistit bezpečnost samotné recyklace.
Recyklační předpříprava může vypadat různě, často do ní ale spadá vybíjení, demontáž, drcení, separace a třídění vybraných materiálů i kroky chemického a tepelného ošetření.
Výsledným produktem pak je takzvaná černá hmota (black mass), tedy velmi jemně mleté bateriové materiály s vysokým podílem vzácných kovů. Protože je tato hmota významnou surovinou pro výrobu nových článků či jiných produktů bateriového průmyslu, jedná se o obchodovatelnou komoditu. Cenu definuje především její kvalita, s ohledem na podíl kovů, příměsí, vlhkost a velikost částic.
Vybíjení
Aby bylo zpracování použité baterie bezpečné, nejprve je potřeba ji vybít. Typicky se využívá takzvané hluboké vybití, tedy vybití pod 2,5 V/článek, které ale stále může způsobovat jiskření. Obecně jsou proto články před recyklací vybíjeny až pod 1 V, kdy dochází k elektrochemicky řízeným nevratným změnám a amorfizaci krystalů aktivních katodových materiálů.
K vybití článků spotřební elektroniky se nejčastěji používá elektrochemický proces, kdy se baterie ponoří do různě koncentrovaných roztoků solí – třeba chloridu sodného nebo draselného, dusičnanu sodného a síranu manganatého či hořečnatého – po dobu 12-24 hodin. Hlavní nevýhodou tohoto přístupu je koroze elektrodových kontaktů vedoucí k jejich zničení a únik obsahu článků do kapalného média, tedy solného roztoku. Musí tedy následovat technologicky obtížné čištění či likvidace.
Ostatní typy článků jsou obvykle vybíjeny pomocí vhodných vybíjecích systémů s elektrickou, aktivní nebo pasivní zátěží.
Demontáž
Komplexní bateriové systémy jsou obvykle ručně rozebírány na úroveň modulů nebo článků. Pokud je to konstrukčně možné, obal baterie je oddělen od komponentů obsahujících aktivní materiály, aby byla recyklace co nejefektivnější.
Drcení
Demontované bateriové moduly či články jsou dále drceny a mlety, aby došlo k uvolnění aktivních materiálů elektrod. Rozdrcené částice jsou pak velké od 0,25 do 2 mm.
Separace a třídění
Získané produkty je následně třeba roztřídit podle velikosti pomocí specializovaných sít. V dalších krocích se pak materiály dál dělí na základě vybraných charakteristických rysů. Pomocí různých technik – třeba vířivých proudů, ultrazvuku, magnetické separace či třídění na základě materiálové hustoty – pak dochází k efektivnímu oddělení vodivých a nevodivých materiálů, případně rozdělení aktivních materiálů elektrod od materiálů proudových kolektorů.
Chemické a termální ošetření
Nakonec je potřeba z černé hmoty kompletně odstranit veškeré organické materiály. K tomu můžou sloužit různé chemické procesy, nebo působení vysokých teplot – většinou mezi 400 až 700 °C.
Víte, že…
Aktivní a pasivní zátěže jsou systémy používané k vybíjení baterií za kontrolovaných podmínek. Pasivní zátěž využívá rezistory k přeměně energie z baterie na teplo, které je následně rozptýleno do okolního prostředí, což je jednoduchý a levný způsob vybíjení. Aktivní zátěž naopak využívá elektronické komponenty, jako jsou tranzistory, k přesnému řízení proudu a napětí během vybíjení, což umožňuje simulaci složitějších vybíjecích profilů. Aktivní zátěž je flexibilnější a přesnější, ale také složitější a dražší než pasivní zátěž.
Recyklační metody
Mezi nejvýznamnější průmyslové metody recyklace patří pyrometalurgie a hydrometalurgie, které lze někdy dokonce kombinovat. Výzkum se ale v současnosti věnuje i dalším, ekologicky či ekonomicky přívětivějším metodám. Ty však zatím nejsou tak účinné, a v průmyslu proto doposud nenašly využití.
Jak vypadá recyklace baterií z elektromobilů v průmyslu? Podívejte se na video.
Víte, že…
V rámci velkých recyklačních linek bývá poslední krok recyklační předpřípravy často sloučený se samotným procesem recyklace. Naopak v případě závodů specializovaných na prodej černé hmoty představuje chemické a termální ošetření nezanedbatelný krok procesu, který významně ovlivňuje tržní cenu.
Pyrometalurgie
Pyrometalurgické zpracování lithium-iontových baterií využívá vysokých teplot v rozmezí od 400 do 1700 °C, při kterých dochází k redukci a rafinaci kovů jako je kobalt, nikl a měď ve formě slitin, či získání lithia, hliníku, křemíku a železa ve formě strusky, tedy pevné hmoty, která vzniká při různých metalurgických procesech. Typicky se skládá z nečistot a různých nežádoucích látek a podobá se kamenům.
Obecně proces pyrometalurgie zahrnuje dvoufázové ošetření. Při nižších teplotách, mezi
400-700 °C, dochází k dočištění a kompletnímu odstranění elektrolytu a organických rozpouštědel, a později při vyšších teplotách, mezi 1400-1700 °C, dochází k samotnému tavení a redukci materiálu.
Pyrometalurgie má několik výhod. Dokáže zpracovat širokou škálu odpadních baterií a v extrakci kovů dosahuje relativně vysoké účinnosti. Odpadní teplo, které při procesu vzniká, je navíc možné využít pro další procesy. Jsou tu ale i nevýhody: emise, vysoká spotřeba energií či nutnost specializovaných zařízení a technologií. V současnosti se výzkum snaží přijít na způsob, jak z pyrometalurgie udělat ekologičtější proces, případně jak ho doplnit o alternativní recyklační metody s nižšími environmentálními dopady a energetickou náročností.
Hydrometalurgie
Hydrometalurgické zpracování lithium-iontových baterií zase využívá kombinaci fyzikálních a chemických metod k extrakci vzácných kovů z vyřazených baterií. Mezi fyzikální operace spadá mechanické zpracování, jako je drcení či materiálová separace, které typicky probíhají už během recyklační předpřípravy. Chemické metody pak vedou k přímému získání vybraných kovů a obecně zahrnují loužení, extrakci s využitím rozpouštědel a srážení. Během loužení v kyselinách se recyklovaný materiál zbavuje nečistot či organických zbytků.
Hydrometalurgické zpracování má také několik výhod, jako jsou nízké emise znečišťujících látek, vysoká účinnost a schopnost extrahovat i některé těžce dostupné kovy. Stejně jako u pyrometalurgie jsou ale i tady plusy vyváženy mínusy. Proces hydrometalurgie je totiž obecně technologicky náročný, spotřebovává velké množství vody a vyžaduje pečlivé nakládání s odpady, které obsahují škodlivé chemikálie.
Víte, že…
Nejúčinnější je loužení v anorganických kyselinách, jako je kyselina sírová, dusičná nebo chlorovodíková, často v kombinaci s peroxidem vodíku. Je ale možné využít i organické kyseliny, třeba kyselinu citronovou, šťavelovou nebo jablečnou. Ty jsou ekologičtější variantou, účinností se ale zatím anorganickým kyselinám nemůžou rovnat.
Přímá recyklace
Řekněme si ještě pár slov o alternativním způsobu recyklace baterií – přímé recyklaci. Ta představuje inovativní směr odpadního zpracování lithium-iontových baterií, kdy na rozdíl od tradičních pyrometalurgických či hydrometalurgických metod nedochází k separaci a znovuzískání vybraných kovů či jejich sloučenin, ale k přímé regeneraci a následnému znovupoužití bateriových materiálů se stejnou funkcí. Proces obvykle zahrnuje sérii mechanických a chemických úprav, které vedou k obnově elektrochemických vlastností materiálů.
Přímá recyklace nabízí několik výhod, jako je snížení environmentálního dopadu z pohledu spotřeby energií, omezení produkce emisí a odpadů. Navíc umožňuje zachování vlastností a kvality materiálů baterií, které může vést k větší efektivitě a udržitelnosti v oblasti recyklačního sektoru. Tento přístup však vyžaduje nákladné technologie a pokročilé procesy, což může omezovat jeho širší implementaci v průmyslovém měřítku. S dalším vývojem a inovacemi v oblasti recyklace baterií bude ale pravděpodobně docházet k postupnému zvyšování efektivity a celkově vyšší dostupnosti přímé recyklace.
Text vznikl ve spolupráci s Annou Pražanovou, doktorandkou na Katedře elektrotechnologie ČVUT v Praze.
Built with Shorthand
