Литијум, енергија и животна средина: Најважније питање о батеријама на које немамо одговор

Док тихо зујање електричних возила постепено замењује обртаје и штетна испарења мотора са унутрашњим сагоревањем, бројне промене ће се провући кроз наш познати свет.

Преовладавајући мирис бензинских пумпи ће нестати у станицама за пуњење без мириса где аутомобили могу поново напунити своје батерије по потреби.

У међувремену, градилишта генератора на гас која су широко распрострањена могу бити накнадно опремљена за смештај огромних батерија које би једног дана могле да напајају читаве градове обновљивом енергијом.

Ова електрифицирана будућност је много ближа него што мислите.

Џенерал Моторс је раније ове године најавио да планира да престане са продајом возила на гас до 2035.

Аудијев циљ је да престане да их производи до 2033. године, а многе друге велике аутомобилске компаније следе тај пример.

У ствари, према Блумберг НЕФ-у, две трећине светске продаје путничких возила покриће електрични аутомобили до 2040.

А системи на електро-мрежи широм света брзо расту захваљујући напредној технологији складиштења батерија.

Иако ово може звучати као идеалан пут ка одрживој снази и путовању, постоји један велики проблем.

Тренутно, литијум (Ли) јонске батерије су оне које се обично користе у електричним возилима, у мега батеријама за складиштење енергије из обновљивих извора, а литијумске батерије је тешко рециклирати.

Један од разлога је тај што најчешће коришћене методе рециклирања традиционалнијих батерија, као што су оловно-киселинске батерије, не функционишу добро са литијумским батеријама.

Оне су обично веће, теже, много сложеније, па чак и опасније ако се погрешно растављају.

У просечној фабрици за рециклажу батерија, делови батерија се уситњавају у прах, а затим се тај прах или топи (пирометалургија) или раствара у киселини (хидрометалургија).

Али литијумске батерије се састоје од много различитих делова који би могли експлодирати ако се не растављају пажљиво.

Чак и када се литијумске батерије покваре на овај начин, производе није лако поново користити.

„Тренутни метод једноставног уситњавања свега и покушаја пречишћавања сложене мешавине резултира скупим процесима са производима ниске вредности", каже Ендру Ебот, физички хемичар са Универзитета у Лестеру.

Као резултат тога, више кошта њихово рециклирање него ископавање више литијума да би се направиле нове.

Такође, пошто велики, јефтини начини за рециклирање литијумских батерија заостају, само око пет одсто литијумских батерија се рециклира на глобалном нивоу, што значи да ће већина једноставно отићи у отпад.

Али како потражња за електричним возилима ескалира, као што се и предвиђа, подстицај да се више њих рециклира иде кроз индустрију батерија и моторних возила.

Тренутни недостаци у рециклажи литијумске батерије нису једини разлог зашто оне представљају проблем за животну средину.

Ископавање разних метала потребних за литијумске батерије захтева огромне ресурсе.

За ископавање једне тоне литијума потребно је 500.000 галона (2.273.000 литара) воде.

У чилеанским соланама Атакама, ископавање литијума је повезано са опадањем вегетације, вишим дневним температурама и све већим условима суше у подручјима националних резервата.

Дакле, иако електрична возила могу помоћи у смањењу емисије угљен-диоксида (ЦО2) током свог животног века, батерија која их напаја почиње свој животни век оптерећена великим утицајем на животну средину.

Међутим, ако се милиони и милиони литијумских батерија, које ће се испразнити после отприлике десет година употребе, учинковитије рециклирају, то ће помоћи да се неутралише сав тај трошак енергије.

Неколико лабораторија ради на усавршавању ефикаснијих метода рециклаже, тако да ће на крају стандардизовани, еколошки прихватљив начин рециклирања литијумских батерија бити спреман да задовољи нагло растућу потражњу.

„Морамо да пронађемо начине да уђемо у оно што називамо кружним животним циклусом, јер литијум, кобалт и никл захтевају много струје и много труда да би били ископани, рафинисани и претворени у батерије.

Не можемо више да третирамо батерије као да су роба за једнократну употребу", каже Ширли Менг, професорка енергетских технологија на Универзитету Калифорније у Сан Дијегу.

Како рециклирати литијумске батерије

Ћелија литијумске батерије има металну катоду или позитивну електроду која прикупља електроне током електрохемијске реакције, направљену од литијума и неке мешавине елемената који обично укључују кобалт, никл, манган и гвожђе.

Такође има аноду или електроду која ослобађа електроне у спољашње коло, направљено од графита, сепаратор и неку врсту електролита, који је медијум који преноси електроне између катоде и аноде.

Јони литијума који путују од аноде до катоде формирају електричну струју.

Метали у катоди су највреднији делови батерије, и то је оно на шта се хемичари фокусирају радећи на очувању и обнови када растављају литијумску батерију.

Менгова каже да литијусмку батерију треба замислити као полицу за књиге са много слојева, а литијум јони се брзо крећу преко сваке полице, враћајући се сваки пут до горње полице - процес који се назива интеркалација.

После година и година, полица за књиге природно почиње да се квари и урушава.

Дакле, када хемичари попут Менгове демонтирају литијумску батерију, то је врста деградације коју виде у структури и материјалима.

„Заправо можемо пронаћи механизме користећи топлоту или неку врсту хемијске методе обраде, можемо вратити полицу", каже Менгова.

„Тако да можемо пустити те рециклиране и обновљене материјале да се врате на монтажну траку у фабрике (литијумских батерија) да би се претвориле у нове батерије."

Побољшање рециклирања литијумске батерије и коначно омогућавање вишекратне употребе њихових делова ће им поново унети вредност која већ постоји.

Због тога се научници залажу за директан процес рециклаже који Менгова описује - јер он може дати други живот најдрагоценијим деловима литијумских батерија, попут катоде и аноде.

Ово би могло значајно надокнадити енергију, отпад и трошкове повезане са њиховом производњом.

Али растављање литијумских батерија се тренутно обавља претежно ручно у лабораторијским поставкама, што ће морати да се промени ако би се директно рециклирање такмичило са традиционалнијим методама рециклирања.

„У будућности ће бити потребно више технологије у растављању", каже Ебот.

„Ако се батерија саставља помоћу робота, логично је да је треба раставити на исти начин."

Еботов тим у Институту Фарадеј у Великој Британији истражује роботско растављање литијумских батерија у оквиру РеЛиб пројекта, који је специјализован за рециклажу и поновну употребу литијумских батерија.

Тим је такође пронашао начин да постигне директну рециклажу аноде и катоде помоћу ултразвучне сонде, „попут онога што зубар користи за чишћење зуба", објашњава он.

„Процес усмерава ултразвук на површину која ствара ситне мехуриће који имплодирају и разбацују премаз са површине."

Овим поступком избегавате да се делови батерије сецкају, што може отежати њихово враћање.

Према истраживању Еботовог тима, овај ултразвучни метод рециклаже може да обради сто пута више материјала током истог периода од традиционалније хидрометалуршке методе.

Он каже да се то такође може урадити за мање од половине цене израде нове батерије од првобитног материјала.

Ебот верује да се процес може широко применити и користити на већим батеријама заснованим на мрежи јер обично имају исту структуру ћелија батерије, само садрже више ћелија.

Међутим, тим га тренутно примењује само на производни отпад, од којег се делови лакше одвајају, јер су већ ослобођени кућишта.

Ипак, тимски тестови роботског растављања се повећавају.

„Имамо демонстрациону јединицу која тренутно ради на целим електродама и надамо се да ћемо у наредних осамнаест месеци моћи да прикажемо аутоматизовани процес који ради у производном погону", каже Ебот.

Разградиве батерије

Неки научници се залажу за удаљавање од литијумских батерија у корист оних које се могу произвести и разградити на еколошки прихватљивије начине.

Џоди Луткенхаус, професорка хемијског инжењерства на Тексашком А&М универзитету, ради на батерији која је направљена од органских супстанци које се могу разградити на команду.

„Многе батерије данас се не рециклирају због повезаних трошкова енергије и рада", каже Луткенхаусова.

„Батерије које се деградирају на команду могу да поједноставе или смање баријеру рециклажи.

На крају, ови производи деградације би се могли поново конституисати у нову батерију, затварајући петљу животног циклуса материјала."

То је фер аргумент с обзиром да, чак и када се литијумска батерија демонтира и њени делови ремонтују, и даље ће постојати делови који се не могу сачувати већ ће постати отпад.

Разградива батерија попут оне на којој тим Луткенхаусове ради могла би бити одрживији извор енергије.

Органске радикалне батерије (ОРБ) постоје од 2000-их и функционишу уз помоћ органских материјала који се синтетишу за складиштење и ослобађање електрона.

„Органска радикална батерија има два од ових (материјала), оба делују као електроде, које раде заједно да складиште и ослобађају електроне, или енергију, заједно", објашњава Луткенхаусова.

Тим користи киселину да разбије своје органске радикалне батерије на аминокиселине и друге нуспроизводе, међутим, услови морају бити тачни да би се делови правилно разградили.

„На крају смо открили да киселина на повишеној топлоти делује", каже Луткенхаусова.

Ипак, пред овом разградивом батеријом предстоји низ изазова.

Материјали потребни за њену израду су скупи и тек треба да обезбеди количину енергије потребну за апликације високе потражње као што су електрична возила и електричне мреже.

Али можда највећи изазов разградивим батеријама је такмичење са већ широко распрострањеном литијумском батеријом.

Следећи корак за научнике који унапређују директну рециклажу литијумских батерија је рад са произвођачима батерија и постројењима за рециклажу како би се поједноставио процес од изградње до квара.

„Заиста охрабрујемо све произвођаче батеријских ћелија да бар кодирају све батерије тако да помоћу роботских техника вештачке интелигенције лако можемо да разврстамо батерије", каже Менгова.

„Потребна је читава област да међусобно сарађује да би се то остварило."

Литијумске батерије се користе за напајање многих различитих уређаја, од лаптопова преко аутомобила до електричних мрежа, а хемијски састав се разликује у зависности од намене, понекад значајно.

Ово би требало да се одрази на начин на који се рециклирају.

Научници кажу да постројења за рециклажу батерија морају да раздвоје различите литијумске батерије у засебне токове, слично како се различите врсте пластике сортирају када се рециклирају, да би процес био најефикаснији.

Иако се суочавају са тешком битком, одрживије батерије полако али сигурно долазе на сцену.

„Већ видимо да се на тржишту појављују дизајни који олакшавају монтажу и демонтажу и вероватно ће то бити важна тема у будућем развоју батерија", каже Ебот.

На страни производње, произвођачи батерија и аутомобила раде на смањењу материјала потребних за прављење литијумских батерија како би се смањила потрошња енергије током рударења и отпад који свака батерија ствара на крају свог животног века.

Произвођачи електричних аутомобила су такође почели да поново користе и мењају сопствене батерије на више различитих начина.

На пример, Нисан обнавља старе Лиф аутомобилске акумулаторе и ставља их у аутоматизована вођена возила која доносе делове у његове фабрике.

Препреке

Због стално растуће тржишне потражње за електричним возилима, компаније аутомобилске индустрије троше милијарде долара на повећање одрживости литијумских батерија.

Међутим, Кина је тренутно далеко највећи произвођач литијумских батерија, а на врху је листе и када је у питању њихова рециклажа.

Широко усвајање стандардизованих метода за рециклажу литијумских батерија, које укључују сортирање токова за различите типове, учиниће их корак ближе.

У међувремену, коришћење технологије вештачке интелигенције за обнову најкориснијих делова, као што је катода, могло би помоћи земљама са малим залихама компоненти литијумске батерије да не морају толико да се ослањају на Кину.

Развијање нових батерија које би могле бити конкурентне литијумској батерији ће вероватно уздрмати индустрију стварајући здраву конкуренцију.

„Мислим да ће свет бити бољи ако диверзификујемо улагање за складиштење батерија, посебно за складиштење на мрежи", каже Менгова.

Појава мање сложене, сигурније батерије коју је јефтиније направити и коју је лакше раставити на крају њеног животног века је крајњи одговор на тренутни проблем одрживости електричних возила.

Али све док се таква батерија не појави, стандардизовање рециклирања литијумске батерије је значајан корак у правом смеру.

А отприлике 2025, када милиони батерија електричних возила дођу до краја свог почетног животног циклуса, поједностављени процес рециклаже ће изгледати много привлачнији за привреде широм света.

Дакле, можда ће, до тренутка када електрична возила постану преовлађујући облик транспорта, постојати добре шансе да ће се њихове батерије припремити за други живот.

Погледајте видео о еко-протестима у Србији

Пратите нас на Фејсбуку и Твитеру. Ако имате предлог теме за нас, јавите се на [email protected]