Дизайнът на клетките и опаковките контролира стратегията за рециклиране на батериите
(снимка: CC0 Public Domain)
Справянето с предизвикателството за рециклиране на нарастващите обеми литиево-йонни батерии трябва да бъде решено още на етапа на проектиране. Към днешна дата обаче производителите са се фокусирали повече върху безопасността, енергийната плътност и цикличността. Проектирането с мисъл за рециклиране не е на висока позиция в списъка с приоритети на производителите на батерии. А е технически осъществимо и може да донесе огромни ползи.
„За да създадете кръгова икономика за всеки материал, е важно да имате малко компоненти, по-ниска цена за вторичния процес [рециклирането], отколкото първичния процес [извличането на суровини], проста схема за пречистване, стойностни компоненти и механизъм за събиране и сегрегация”, пишат изследователи от няколко института, които заедно са направили анализ по проблема.
Това са учени от университетите в Лестър, Нюкасъл и Бирмингам, от Института Фарадей, центъра ReCell и щатската Национална лаборатория в Аргон. Заедно те са изследвали дизайна на съвременните акумулатори и са са публикували своите открития в статия под заглавие „Значение на дизайна при рециклиране на литиево-йонни батерии – критичен преглед”.
Оловно-киселинни и литиево-йонни батерии
Оловно-киселинните батерии отговарят на всички конструктивни изисквания за лесно рециклиране, което навярно обяснява степента на събиране и преработка от близо 100% в Япония, САЩ и по-голямата част от Европа. Режимът на рециклиране позволява възстановяване на повече от 98% от общата маса на батериите.
Оловно-киселинните батерии имат опростен дизайн с полипропиленов корпус, еднакъв електролит и два електрода, изработени от олово и оловен оксид. Разделянето на компонентите по плътност е сравнително просто, като се има предвид, че оловото и полипропиленът имат стойности 11,3 и 0,9 g/cm3.
Сходните стойности на плътността на катодите и токосъбирачите в литиево-йонните батерии правят подобен подход невъзможен. Следователно литиево-йонните устройства изискват подходи като окислително-възстановителни реакции, разтваряне или използване на електростатичните и магнитните свойства за отделяне на материалите, от които са изградени клетките.
Липсата на етикети е друга значителна пречка за ефективно рециклиране. За разлика от оловно-киселинните батерии, литиевите устройства съдържат най-различни химикали и имат разнообразни архитектури – например NCA, NMC, LMO, LCO и LFP. Всички те могат да се комбинират по различни начини. Различна е и тяхната форма, преди да бъдат споени заедно в модули и комбинирани в цялостна опаковка.
Разходи и решения
Изследователската група казва, че няма глобални стандарти за етикиране на батериите, каквато са необходими, за да се посочи ясно съставът на устройството, така че да е възможна работата на рециклиращите организации. В резултат на това като обичайни методи за рециклиране на литиево-йонни батерии са се наложили хидрометалургията – която включва раздробяване и киселинно третиране – и пирометалургията, която е енергийно интензивен процес на топене преди киселинния етап. Хидрометалургията изисква предварителна обработка, разреждане и правилно разглобяване, а не просто „раздробяване”.
Разглобяването и всякаква предварителна обработка биха могли да се извършват от роботи, но само ако типът на батерията и архитектурата са стандартизирани и ясно обозначени, според авторите на доклада, анализиран от PV-Magazine. Изследователите заявяват, че наскоро световният орган на автомобилни инженери SAE International препоръча схема за етикетиране. Има данни, че Китай – който си постави за цел да стане нулевовъглеродна икономика до 2060 г. – обмисля стандарти за етикетиране на литиевите устройства с цел рециклиране на батериите от електромобили.
Разликата в начина на подреждане на клетките и модулите в батерийните комплекти – понякога дори само при един производител – представлява още едно препятствие за рециклиращите организации. Оказва се, че литиево-йонните устройства са проектирани така, че да максимизират безопасността и дълголетието на клетките за сметка на възможността за рециклиране.
Колкото по-голям е броят на клетките, толкова по-нисък е делът на активните и ценни материали в теглото на батерията. Увеличеният брой клетки също така усложнява стъпките за отваряне и разделяне, което пък увеличава разходите за рециклиране. Едно електрическо превозно средство Tesla Model S с батерия от 85 kWh съдържа 16 модула, всеки от които включва 444 клетки – това са 7 104 цилиндрични клетки във всяка кола. BMW i3 разполага с 96 призматични клетки; Nissan Leaf със 192 клетки тип „плочки”.
„Когато разглобяването е бавно и скъпо, единственият метод за рециклиране става пирометалургията, която е скъпа и неефективна”, пишат авторите на доклада. „Следователно рециклирането е в ситуация „Параграф 22”, където дизайнът на клетките и опаковките контролира стратегията за рециклиране”.
Ръчното разглобяване на пакетите и модулите за изваждане на отделните клетки е предпочитаният вариант за възстановяване на чистите материали, но отнема повече време от смилането. Такива закъснения се влошават от безбройните комбинации от дизайна на клетките и опаковките, които правят автоматизираното разглобяване практически непостижимо.
Авторите на статията предлагат стандартизиране на фиксиращите компоненти на най-външния слой от батериите и на подреждането на модулите и клетките. Това ще позволи да бъде преодолян проблемът с рециклирането. Опаковките могат да се затворят с винтове, щипкови механизми или други подобни – така че със стандартен инструмент да е възможен достъп до вътрешността с относителна лекота и без увреждане на вътрешните слоеве.
Твърди шини
Батериите могат да имат и твърди шини вместо гъвкавите кабели, които в момента се използват за свързване на модулите, казват изследователите. Такива структури ще позволят клетките да се свързват лесно – директно към шината. Съответно ще е по-лесно чрез роботи да се отделят клетките от шината за целите на рециклирането. Клетъчните компоненти могат да бъдат по-лесно достъпни и разделени с добавяне на някакъв вид точка на прекъсване или друг механизъм за отваряне.
Учените предлагат и да се съсредоточат върху „необратимите” в момента свързващи агенти, които се използват за закрепване на активните материали към полимерния слой в литиево-йонните устройства. Работата с конвенционални свързващи вещества повишава разходите за отделяне на катодните и анодните материали от полимера.
„Подходът на проектиране с мисъл за рециклирането често включва незначителни промени в продуктовите структури, но пък може да помогне за създаване на кръгова икономика, връщайки суровините обратно в производствения процес при значително намалени разходи в сравнение с първичните суровини”, добавят авторите на доклада.
Перспективи
Изследователите казват, че разделянето на електродните материали може да доведе до многократно намаляване на цените в сравнение с набавянето на необработени материали. Коректното етикетиране, опростените архитектури, лесните механизми за отваряне и реверсивните лепила и свързващи вещества биха решили голямата част от проблемите с рециклирането на литиево-йонни батерии, пишат учените.
Академиците също така предлагат да се въведат разпоредби, които налагат разширена отговорност за производителите. Последните трябва да имат задължението да вземат излезлите от употреба продукти. Това би ги подтикнало да възприемат подхода на проектирането с мисъл за рециклиране.