Мобильные устройства, компьютеры, электроинструменты, автомобили и электронные сигареты имеют батареи, которые используют литий-ионную технологию. Батареи это неотделимая часть практически во всех отраслях современной индустрии.
Согласно прогнозам Bloomberg NEF к середине десятилетия, спрос на литий вырастет в три раза по сравнению с уровнем текущего года, а в Китае цены на него уже достигли нового рекорда. Это говорит нам, что мобильных устройств, транспортных средств, аккумуляторных источников хранения и распределения энергии станет еще больше.
Значительную долю в этой цепи занимают автопроизводители. BMW AG, General Motors Co, Volvo и многие другие компании заявили, что планируют постепенно отказаться от двигателей внутреннего сгорания и аналитики отрасли прогнозируют, что к 2030 г. количество EV (Electric Vehicles) на дорогах будет измеряться сотнями миллионов. Для сравнения, в Украине, даже несмотря на войну, количество электрических транспортных средств возросло на 229% с конца 2021 г. (по данным Auto-Consulting).
Сегодня EV не редкость, но многие владельцы еще не до конца осознают, что аккумулятор имеет ограниченный срок использования и это не обычная пальчиковая батарейка, которую можно оставить в специально отведенном боксе. Еще 7-8 лет, возможно, немного, но не существенно больше, и сотни тысяч аккумуляторов автомобилей, которые используются сегодня, начнут достигать конца срока эксплуатации.
Многие граждане сознательно стремятся быть ответственными в вопросах утилизации отработанных аккумуляторов, но даже правильная утилизация только уменьшает риск, а не решает вопрос. Одним из главных направлений нашей работы является исследование и создание технологии, которая позволит восстанавливать катодные и анодные материалы в использованных батареях, восстанавливать и улучшать их базовые характеристики до 100% уровня. Поэтому целесообразно рассмотреть проблемы, с которыми сталкивается мир в области переработки отработанных батарей.
Что такое аккумуляторная батарея и когда начинаются проблемы
Аккумуляторная батарея – это сложная инженерия и электрохимия. Существует три наиболее распространенных типа, обычно определяемых металлами в катоде: никель-кобальт-алюминий (NCA), железо-фосфат (LFM) и никель-марганец-кобальт (NMC). Внутри каждой ячейки ионы движутся через электролит между графитовым анодом и слоем катода, состоящий из оксида металла. Эти процессы превращают литий в энергию, двигающую авто на сотни километров.
Шум отсутствует, отсутствуют выбросы, комфортное, спокойное, экологичное передвижение. Однако, когда срок службы аккумулятора истекает, экологические преимущества исчезают и превращаются в реальную угрозу. Попав на свалку, компоненты батареи выделяют токсичные вещества и тяжелые металлы, попадающие в окружающую среду. И хотя литий-ионные аккумуляторы демонстрируют стабильность при правильном использовании, менее отклонение от нормы – вмешательство в ячейку батареи или деформация – это реальная опасность, короткое замыкание, вспышка, высвобождение ядовитых газов. Батарея буквально превращается в зомби. Живое, полезное и надежное становится токсичным, ядовитым и вообще опасным.
В Великобритании по данным ESA (Environmental Services Association) официально фиксируют не менее 200 пожаров ежегодно вызванных батареями и отмечают, что количество может быть в три раза больше.
Южная Корея, масштабный пожар, в центре обработки данных, на несколько дней вывела из строя широкий спектр ключевых цифровых услуг – банкинг, совместное использование поездок и онлайн-доставку по всей стране. Это взаимосвязанные события, Корея считается ключевым мировым поставщиком литий-ионных элементов, используемых в электромобилях (три южнокорейских компании – LG Energy Solution Ltd., SK On Co., Samsung SDI Co. – принадлежат к ведущим мировым поставщикам аккумуляторов). Причинами стали неверная утилизация и вмешательство в конструкцию аккумуляторов.
Правительство и эксперты
Исследователи и эксперты в области переработки подчеркивают, что современные батареи для электромобилей плохо или совсем не предназначены для переработки. Одна из причин состоит в том, что конструкцию скрепляют крепкими клеевыми соединениями, по которым процесс разборки значительно усложняется. Это тревожный признак, но именно он побуждает искать решение, которое поможет перерабатывать и восстанавливать десятки миллионов аккумуляторов, которые уже совсем скоро появятся на рынке.
К ситуации приобщаются правительства ведущих стран; Китай, США, ЕС и другие пытаются провоцировать повторное использование компонентов батареи электромобилей. Но вмешательство на государственном уровне не упрощает задачу. Батареи сильно отличаются по химическому составу и конструкции, что затрудняет создание эффективных систем переработки.
Компании переработчики. Сухие факты
Безусловным лидером в переработке является Китай, который перерабатывает больше литий-ионных аккумуляторов, чем остальной мир вместе.
Переработчики ориентируются на металлы в катоде, такие, как кобальт и никель, так как они имеют высокую цену, но их небольшое количество делает процесс переработки и восстановления сложным и энергозатратным. В это же время восстановление лития и графита не является экономически выгодным из-за условно низкой стоимости этих компонентов. Производителям аккумуляторов в некоторых случаях дешевле покупать только что добываемые металлы, чем использовать переработанные. Но ископаемые – это невозобновляемый ресурс, поэтому совсем отвергать необходимость переработки не является хорошим вариантом.
Сейчас в мире используются два метода переработки отработанных литиевых батарей: пирометаллургия и гидрометаллургия. Пирометаллургия более распространена. Переработчик механически измельчает материал, затем выжигают пластик и клей, чтобы добраться до металлов. Гидрометаллургия, предполагает использование кислоты, образуя насыщенный металлами раствор. Иногда оба метода комбинируют. То есть переработчик должен восстановить каждый из химических элементов – вытащить каждый отдельно. Долго, грязно, небезопасно.
Оба процесса образуют большое количество опасных отходов и парниковых газов, а подавляющее большинство прибыли – это продажа добываемого кобальта, ставящая бизнес-модель в определенную зависимость.
Идеальный вариант!
Идеальным вариантом называют прямую переработку. Подразумевается, что конструкция батареи позволит хранить катодную смесь неприкосновенной после разборки. Но не все производители маркируют батареи, переработчик не всегда знает, с каким элементом имеет дело, и имеют ли катодные металлы какую-либо ценность. Важно следить за скоростью развития технологий, вполне вероятно, что изготовленные сегодня катоды без спроса в ближайшем будущем. К примеру, в октябре этого года мы анонсировали создание лабораторного прототипа литий-серной батареи. Эта технология должна изменить игру в области производства аккумуляторных батарей. Конечно, впереди еще много работы, мы в поисках инвестиций, но факт остается фактом: литий-сера – это ближайшее будущее.
Следующая сложность состоит в том, что разобрать батареи электромобилей не так-то легко. К примеру батарея Leaf от Nissan имеет прямоугольную форму и для того, чтобы ее разобрать понадобится, по меньшей мере 2 часа и это лишь время на одну батарею. Далее, ячейки Tesla, имеют уникальную цилиндрическую форму и соединены почти незыблемым полиуретановым цементом, который удерживает их вместе. Растворитель, который использовался до прошлого года (для растворения связующих катодов), был настолько токсичен, что ЕС ввел ограничения на его использование, а в Агентстве по охране окружающей среды США определили, что он представляет “необоснованный риск” для работников.
Надежда есть
Ситуация может измениться, если производители начнут производить батареи с учетом переработки. К примеру, после того, как Китай возложил на производителей электромобилей ответственность за переработку аккумуляторов. На рынке появилась литий-ферофосфатная батарея Blade Battery от концерна BYD (китайский производитель электромобилей). Конструкция позволяет избавиться от модульного компонента, зато сохраняя плоские ячейки непосредственно внутри. Ячейки можно легко удалить вручную, без борьбы с проволокой и клеем.
Украинское решение
Украинская технология позволяет восстанавливать катодную и анодную массы без необходимости вытапливать или восстанавливать металлы из кислотного раствора. То есть обычно после переработки производители должны вновь создавать катоды и аноды смешивая химические компоненты. Мы работаем над технологией, которая позволит избавиться от разложения компонентов батареи на простые химические соединения и значительно сократить процесс.
Мы уже протестировали предложенный метод используя литий-феррофосфатные батареи (LFP батареи наиболее распространены в транспортной отрасли). Результат доказал вероятность 100% восстановления такой батареи. Кроме этого, мы предложили метод улучшения базовых характеристик восстановленных батарей путем модификации графеновыми материалами, которые мы синтезируем в Украине. Если ведущие эксперты ищут новые экологически чистые способы переработки черной массы из литий-ионных аккумуляторов, то наша технология уже подтверждает возможность достичь потенциально значительно более высоких и более быстрых результатов, чем с помощью методов, которые используются сейчас.
Такая технология гораздо более экологична и безопасна. Например, реагенты, которые используем мы не токсичны. Важно отметить, что поставки ключевых металлов для аккумуляторов контролируются одной или несколькими странами. Продолжение исследований, масштабирование и коммерциализация наших достижений позволит стране повысить экономическую и национальную безопасность. Место для утилизации аккумуляторов электромобилей, управления и транспортировки потенциально опасных отходов к месту переработки, необходимость заказа новых компонентов батарей, зависимости от поставщиков и мировых цен на добытые металлы. Это лишь несколько факторов, от которых мы вполне реально сможем избавиться. Все над чем мы работаем сейчас будет иметь реальный экономический эффект в ближайшем будущем. Это не популистские лозунги, а вполне ответственное заявление.
Правительства ведущих стран, частные компании и венчурные фонды вкладывают большие деньги в исследовательские инициативы не менее охотно, чем в коммерческие. Несмотря на сложную ситуацию, в нашей стране ученые не прекращают работу. Поскольку индустрия электромобилей набирает обороты, потребность в инновациях стала очень острой. Несмотря на все сложности и ограничения, наша мотивация очень высока. Скептики не могут поверить, что украинская наука жива и вполне конкурентоспособна. Стабильная, структурированная инвестиционная поддержка значительно ускорит прогресс в нашей работе (именно для этого мы открыли дополнительный раунд инвестиций). Но ситуация остается сложной, потому что многие потенциальные инвесторы видят сверхвысокий риск в том, что мы и наши лаборатории находятся в Украине. (Сергей Дубиневич, соучредитель и CEO maxAh (Украина), ЭлектроВести/Энергетика Украины и мира)
