Зарождающейся индустрии вторичной переработки необходимо экономически деконструировать множество форматов.
Электромобили, электроинструменты, умные часы — литий-ионные аккумуляторы сейчас повсюду. Однако материалы для их изготовления конечны, и их получение имеет экологические, гуманитарные и экономические последствия. Переработка является ключом к решению этих проблем, но недавнее исследование показывает, что большинство литий-ионных аккумуляторов никогда не перерабатываются.
Литий и несколько других металлов, из которых состоят эти батареи, невероятно ценны. Стоимость необработанного лития примерно в семь раз превышает стоимость свинца того же веса, но, в отличие от литиевых батарей, почти все свинцово-кислотные батареи перерабатываются. Так что в игре есть нечто большее, чем чистая экономика.
Оказывается, есть веские причины, по которым утилизация литиевых батарей до сих пор не состоялась. Но некоторые компании рассчитывают изменить это, и это хорошо, поскольку переработка литиевых батарей станет важной частью перехода к возобновляемым источникам энергии.
Свинцово-кислотные уроки
Насколько велика разница между литиевыми и свинцовыми батареями? Согласно отчету Международного энергетического агентства за 2021 год, в 2021 году средняя цена одной метрической тонны карбоната лития для аккумуляторов составляла 17 000 долларов по сравнению с 2 425 долларами на рынках свинца в Северной Америке, и в настоящее время на сырье приходится более половины стоимости аккумуляторов.
Дисбаланс переработки также нелогичен с точки зрения поставок свежих материалов. По данным Геологической службы США, мировые источники лития составляют 89 миллионов тонн, большая часть которых происходит из Южной Америки . Напротив, мировые поставки свинца в 2 миллиарда тонн были в 22 раза выше, чем лития.
Несмотря на меньшее предложение лития, исследование, проведенное в Журнале Индийского института науки , показало, что менее 1 процента литий-ионных аккумуляторов перерабатывается в США и ЕС по сравнению с 99 процентами свинцово-кислотных аккумуляторов, которые чаще всего используются в газовых транспортных средствах и электрических сетях. Согласно исследованию, проблемы переработки варьируются от постоянно развивающейся технологии аккумуляторов до дорогостоящей транспортировки опасных материалов и неадекватного государственного регулирования.
Все ожидали постепенного отказа от свинца, но его продолжающийся экономический успех высокими показателями переработки.
Каждый раз, когда вы покупаете аккумулятор для своего автомобиля, вы должны вернуть весь аккумулятор, а затем он попадает в цепочку переработки. Это не сработало для литиевых батарей, отчасти потому, что существует очень много форматов. Связанная с этим проблема заключается в том, что технология литиевых батарей быстро меняется — каждые один-два года.
Но преодоление этих проблем утилизации является обязательным. Аккумуляторы на основе лития содержат больше энергии в меньшем корпусе по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами. Они имеют решающее значение для обезуглероживания транспорта и обеспечения повсеместного перехода на возобновляемые источники энергии, помогая обеспечить предсказуемое снабжение электроэнергией от ветровой и солнечной энергии. Достижение этих переходов в глобальном масштабе является масштабной задачей.
Соответственно, глобальное потребление лития увеличилось на 33% с 2020 года. Если будут достигнуты цели использования возобновляемых источников энергии, достаточные для того, чтобы остановить изменение климата, то, по данным МЭА, ожидается, что спрос на литий вырастет в 43 раза.
Литий — не единственный материал, который может ограничивать использование этих батарей. Анод и катод аккумуляторов содержат материалы, такие как кобальт и никель, которые также подвержены потенциальным перебоям с поставками. Таким образом, переработка может помочь решить множество проблем с поставками. Если вы хотите сделать новую батарею, старая батарея содержит точно такие же компоненты.
Бум по переработке аккумуляторов
В отчете 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.
Для тех немногих предприятий, которые могут регенерировать материалы из литий-ионных аккумуляторов, традиционные процессы недостаточно эффективны для рекуперации высококачественного лития для использования в переделке аккумуляторов. Например, метод пирометаллургии легко масштабируется и работает с батареями любого формата, но он включает в себя энергоемкий процесс с использованием высокой температуры для сжигания батареи. В то время как зола будет содержать полезные материалы, пирометаллургия может производить токсичные пары и ограничивать извлечение других ценных компонентов. Другие методы включают измельчение батареи, а затем извлечение материалов с использованием длительных и сложных химических процессов, которые различаются в зависимости от используемой технологии батареи.
Прямая переработка является альтернативой, которая в основном разбирает батарею и сохраняет материалы катода и анода для восстановления. Этот метод находится в зачаточном состоянии, но он может быть дешевле, безопаснее и эффективнее. Процесс усложняется необходимостью вручную разбирать огромное количество форматов батарей. Блок литиевых батарей содержит модули элементов, и именно в этих элементах находятся ценные металлы. Ручной доступ к этим ячейкам выполним, но утомителен, а для обработки больших объемов необходима автоматизация.
Перерабатывать такие материалы немного сложнее. У шведского производителя аккумуляторов есть несколько программ в рамках инициативы, которую он называет Revolt, в том числе пилотный завод по переработке, который работает с конца 2020 года. Они также находятся в процессе разработки Revolt Ett, полномасштабного завода по переработке, готового выйти на объемы переработки в 125 000 тонн батарей в год, начиная с 2023 года.
Как и в большинстве компаний, процесс Northvolt не является прямой переработкой. Тем не менее, он разбирает батареи до уровня модулей, прежде чем начинать дробление, измельчение или химические процессы. Прошлой осенью компания Northvolt произвела свой первый аккумулятор только из переработанного материала. У Northvolt есть робот, который он настраивает на своей экспериментальной установке, и компания надеется в будущем значительно автоматизировать большую часть процесса демонтажа.
Часть плана компании по обеспечению успеха переработки также включает калибровку рынка, чтобы убедиться, что переработка является системно интегрированной, что поддерживается четким регулированием.
Снятие с производства
Сегодня многие технологии переработки берут всю батарею и просто бросают ее в печь и плавят, или бросают в измельчитель и измельчают. В Gigafactory процесс переработки, состоящий из двух частей, включает в себя эту разборку, за которой следует гидрометаллургический или химический процесс. В настоящее время компания ABTC строит свой первый объект в северной Неваде, который может извлекать материалы для аккумуляторов менее чем за три часа. Компания ожидает, что он будет завершен к концу 2022 года и сможет принимать 20 000 метрических тонн вторсырья в год. Если это будет достигнуто, это составит около пятой части общего веса лития-сырца, произведенного в 2021 году.
Несмотря на быстрые технологические изменения, более длительный срок службы литиевых батарей дает возможность приспосабливаться к перерабатывающим предприятиям. Большинство литиевых батарей используются в течение многих лет, прежде чем потребуется замена, что может помочь таким компаниям, как ABTC, подготовиться к следующему этапу переработки.
Создание экономики замкнутого цикла
Один из способов сделать вторичную переработку повсеместной — заставить производителей думать о возможности вторичной переработки с самого начала. В последние годы эта идея набрала популярность: производители и переработчики работают вместе, чтобы получить прибыль, создавая как можно меньше отходов. В линейной экономике, когда батарея разряжается, она оказывается на свалке. В экономике замкнутого цикла вместо того, чтобы выбрасываться, батареи начинают свою жизнь заново в качестве сырья и возвращаются обратно в производственную цепочку. Это означает, что теоретически все вовлеченные компании могут бесконечно получать прибыль, практически не тратя впустую материал.
Но чтобы циклическая экономика батарей работала, заводы по переработке должны соответствовать производительности заводов-изготовителей. Потому что до сих пор нет заводов по переработке в промышленных масштабах.
Это обеспечит стабильные поставки, снизит затраты и, возможно, уменьшит воздействие на окружающую среду по сравнению с добычей полезных ископаемых. Для достижения этой цели необходимо развивать партнерские отношения на всех этапах цепочки поставок, от нефтеперерабатывающих заводов до производителей автомобилей и переработчиков аккумуляторов.
Здесь пригодится опыт переработки свинцово-кислотных аккумуляторов:
везде, где вы можете купить аккумулятор, вы можете вернуть его. Самый простой выбор оказался эффективным для свинцово-кислотных аккумуляторов, и нечто подобное должно последовать и для литий-ионных.
Инновации для литий-ионных аккумуляторов все еще находятся в зачаточном состоянии, и основные разработки произошли немногим более чем за последнее десятилетие, по сравнению с полувековой давностью для свинцово-кислотных аккумуляторов.
Такова их дислокация.