Νέα του κλάδου

Εκατομμύρια ηλεκτρικά αυτοκίνητα έρχονται. Τι συμβαίνει με όλες τις νεκρές μπαταρίες;

2021-06-15

 


Μια τεμαχισμένη μπαταρία ηλεκτρικών οχημάτων μπορεί να δώσει ανακυκλώσιμα μέταλλα, αλλά συχνά είναι φθηνότερο για τους κατασκευαστές μπαταριών να χρησιμοποιούν νέα υλικά. ΕΘΝΙΚΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΡΓΟΝΗΣ

 

Εκατομμύρια ηλεκτρικά αυτοκίνητα έρχονται. Τι συμβαίνει με όλες τις νεκρές μπαταρίες;

ΜεΊαν Μορς|Ενδέχεται. 20, 2021,12:44 μμ

Το πακέτο μπαταριών ενός Tesla Model S είναι ένα επίτευγμα περίπλοκης μηχανικής. Χιλιάδες κυλινδρικές κυψέλες με εξαρτήματα που προέρχονται από όλο τον κόσμο μετατρέπουν το λίθιο και τα ηλεκτρόνια σε αρκετή ενέργεια για να προωθήσει το αυτοκίνητο εκατοντάδες χιλιόμετρα, ξανά και ξανά, χωρίς εκπομπές από την εξάτμιση. Όταν, όμως, η μπαταρία φτάνει στο τέλος της ζωής της, τα πράσινα οφέλη της εξασθενούν. Εάν καταλήξει σε χώρο υγειονομικής ταφής, τα κύτταρα του μπορεί να απελευθερώσουν προβληματικές τοξίνες, συμπεριλαμβανομένων των βαρέων μετάλλων. Και η ανακύκλωση της μπαταρίας μπορεί να είναι μια επικίνδυνη υπόθεση, προειδοποιεί η επιστήμονας υλικών Dana Thompson από το Πανεπιστήμιο του Leicester. Κόψτε πολύ βαθιά σε μια κυψέλη Tesla ή σε λάθος μέρος και μπορεί να βραχυκυκλώσει, να καεί και να απελευθερώσει τοξικούς ατμούς.

Αυτό είναι μόνο ένα από τα πολλά προβλήματα που αντιμετωπίζουν οι ερευνητές, συμπεριλαμβανομένου του Thompson, που προσπαθούν να αντιμετωπίσουν ένα αναδυόμενο πρόβλημα: πώς να ανακυκλώσουν τα εκατομμύρια μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων (EV) που οι κατασκευαστές αναμένουν να παράγουν τις επόμενες δεκαετίες. Οι τρέχουσες μπαταρίες EV «δεν είναι πραγματικά σχεδιασμένες για ανακύκλωση», λέει ο Thompson, ερευνητής στο Ινστιτούτο Faraday, ένα ερευνητικό κέντρο που επικεντρώνεται σε ζητήματα μπαταριών στο Ηνωμένο Βασίλειο.

Αυτό δεν ήταν μεγάλο πρόβλημα όταν τα EV ήταν σπάνια. Τώρα όμως η τεχνολογία απογειώνεται. Αρκετές αυτοκινητοβιομηχανίες έχουν δηλώσει ότι σχεδιάζουν να καταργήσουν σταδιακά τους κινητήρες εσωτερικής καύσης μέσα σε λίγες δεκαετίες και οι αναλυτές του κλάδου προβλέπουν ότι τουλάχιστον 145 εκατομμύρια EVs θα κυκλοφορήσουν μέχρι το 2030, από μόλις 11 εκατομμύρια πέρυσι. «Οι άνθρωποι αρχίζουν να συνειδητοποιούν ότι αυτό είναι ένα ζήτημα», λέει ο Thompson.

Οι κυβερνήσεις οδεύουν προς την απαίτηση κάποιου επιπέδου ανακύκλωσης. Το 2018, η Κίνα επέβαλε νέους κανόνες με στόχο την προώθηση της επαναχρησιμοποίησης εξαρτημάτων μπαταριών EV. Η Ευρωπαϊκή Ένωση αναμένεται να ολοκληρώσει τις πρώτες της απαιτήσεις φέτος. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, η ομοσπονδιακή κυβέρνηση δεν έχει ακόμη προωθήσει τις εντολές ανακύκλωσης, αλλά αρκετές πολιτείες, συμπεριλαμβανομένης της Καλιφόρνιας, της μεγαλύτερης αγοράς αυτοκινήτου του έθνους, διερευνούν τον καθορισμό των δικών τους κανόνων.

Η συμμόρφωση δεν θα είναι εύκολη. Οι μπαταρίες διαφέρουν πολύ ως προς τη χημεία και την κατασκευή, γεγονός που καθιστά δύσκολη τη δημιουργία αποτελεσματικών συστημάτων ανακύκλωσης. Και τα κύτταρα συχνά συγκρατούνται μεταξύ τους με σκληρές κόλλες που καθιστούν δύσκολο να αποκολληθούν. Αυτό συνέβαλε σε ένα οικονομικό εμπόδιο: Συχνά είναι φθηνότερο για τους κατασκευαστές μπαταριών να αγοράζουν φρεσκοκομμένα μέταλλα παρά να χρησιμοποιούν ανακυκλωμένα υλικά.




Η επιστήμονας υλικών Dana Thompson αναπτύσσει διαλύτες για την εξαγωγή πολύτιμων μετάλλων από χρησιμοποιημένες μπαταρίες αυτοκινήτων. ΙΔΡΥΜΑ FARADAY

 

Καλύτερες μέθοδοι ανακύκλωσης όχι μόνο θα αποτρέψουν τη ρύπανση, σημειώνουν οι ερευνητές, αλλά θα βοηθούσαν επίσης τις κυβερνήσεις να ενισχύσουν την οικονομική και εθνική τους ασφάλεια αυξάνοντας τις προμήθειες βασικών μετάλλων μπαταριών που ελέγχονται από ένα ή μερικά έθνη. “Από τη μία πλευρά, η [απόρριψη των μπαταριών EV] είναι ένα πρόβλημα διαχείρισης απορριμμάτων. Και από την άλλη πλευρά, είναι μια ευκαιρία για την παραγωγή μιας βιώσιμης δευτερεύουσας ροής κρίσιμων υλικών», λέει ο Γκάβιν Χάρπερ, ερευνητής του Πανεπιστημίου του Μπέρμιγχαμ που μελετά θέματα πολιτικής ηλεκτρικών οχημάτων.

 

Για να ξεκινήσει η ανακύκλωση, οι κυβερνήσεις και η βιομηχανία επενδύουν χρήματα σε μια σειρά από ερευνητικές πρωτοβουλίες. Το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) έχει διοχετεύσει περίπου 15 εκατομμύρια δολάρια σε ένα Κέντρο ReCell για να συντονίσει τις μελέτες από επιστήμονες στον ακαδημαϊκό χώρο, τη βιομηχανία και τα κυβερνητικά εργαστήρια. Το Ηνωμένο Βασίλειο έχει υποστηρίξει το έργο ReLiB, μια προσπάθεια πολλών ιδρυμάτων. Καθώς ο κλάδος των ηλεκτρικών οχημάτων αυξάνεται, η ανάγκη για πρόοδο γίνεται επιτακτική, λέει η Linda Gaines, η οποία εργάζεται στην ανακύκλωση μπαταριών στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne της DOE. «Όσο νωρίτερα μπορέσουμε να βάλουμε τα πάντα σε κίνηση», λέει, «τόσο καλύτερα».

ΜΠΑΤΑΡΙΕΣ EVκατασκευάζονται λίγο σαν ένθετες κούκλες. Συνήθως, ένα κύριο πακέτο περιέχει πολλές ενότητες, καθεμία από τις οποίες είναι κατασκευασμένη από πολυάριθμα μικρότερα κελιά (βλ. γραφικό, παρακάτω). Μέσα σε κάθε στοιχείο, άτομα λιθίου κινούνται μέσω ενός ηλεκτρολύτη μεταξύ μιας ανόδου γραφίτη και ενός φύλλου καθόδου που αποτελείται από ένα οξείδιο μετάλλου. Οι μπαταρίες συνήθως ορίζονται από τα μέταλλα στην κάθοδο. Υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι: νικέλιο-κοβάλτιο-αλουμίνιο, σίδηρος-φωσφορικός και νικέλιο-μαγγάνιο-κοβάλτιο.

Τώρα, οι ανακυκλωτές στοχεύουν κυρίως μέταλλα στην κάθοδο, όπως το κοβάλτιο και το νικέλιο, που έχουν υψηλές τιμές. (Το λίθιο και ο γραφίτης είναι πολύ φθηνά για ανακύκλωση για να είναι οικονομικά.) Αλλά λόγω των μικρών ποσοτήτων, τα μέταλλα είναι σαν βελόνες σε θημωνιά: δυσεύρετα καιrecover.



 

Για την εξαγωγή αυτών των βελόνων, οι ανακυκλωτές βασίζονται σε δύο τεχνικές, γνωστές ως πυρομεταλλουργία και υδρομεταλλουργία. Η πιο κοινή είναι η πυρομεταλλουργία, στην οποία οι ανακυκλωτές πρώτα τεμαχίζουν μηχανικά το κύτταρο και στη συνέχεια το καίνε, αφήνοντας μια απανθρακωμένη μάζα από πλαστικό, μέταλλα και κόλλες. Σε εκείνο το σημείο, μπορούν να χρησιμοποιήσουν διάφορες μεθόδους για την εξαγωγή των μετάλλων, συμπεριλαμβανομένης της περαιτέρω καύσης. «Η Pyromet ουσιαστικά αντιμετωπίζει την μπαταρία σαν να ήταν μετάλλευμα» κατευθείαν από ορυχείο, λέει ο Gaines. Η υδρομεταλλουργία, αντίθετα, περιλαμβάνει βύθιση υλικών μπαταριών σε δεξαμενές οξέος, παράγοντας μια γεμάτη μέταλλα σούπα. Μερικές φορές οι δύο μέθοδοι συνδυάζονται.

Κάθε ένα έχει πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Η πυρομεταλλουργία, για παράδειγμα, δεν απαιτεί από τον ανακυκλωτή να γνωρίζει το σχέδιο ή τη σύνθεση της μπαταρίας ή ακόμα και αν είναι πλήρως αποφορτισμένη, προκειμένου να προχωρήσει με ασφάλεια. Αλλά είναι ενεργοβόρα. Η υδρομεταλλουργία μπορεί να εξάγει υλικά που δεν λαμβάνονται εύκολα μέσω της καύσης, αλλά μπορεί να περιλαμβάνει χημικές ουσίες που ενέχουν κινδύνους για την υγεία. Και η ανάκτηση των επιθυμητών στοιχείων από τη χημική σούπα μπορεί να είναι δύσκολη, αν και οι ερευνητές πειραματίζονται με ενώσεις που υπόσχονται να διαλύσουν ορισμένα μέταλλα της μπαταρίας αλλά να αφήνουν άλλα σε στερεή μορφή, καθιστώντας ευκολότερη την ανάκτησή τους. Για παράδειγμα, ο Thompson έχει εντοπίσει έναν υποψήφιο, ένα μείγμα οξέων και βάσεων που ονομάζεται βαθύς ευτηκτικός διαλύτης, που διαλύει τα πάντα εκτός από το νικέλιο.

Και οι δύο διαδικασίες παράγουν εκτεταμένα απόβλητα και εκπέμπουν αέρια θερμοκηπίου, σύμφωνα με μελέτες. Και το επιχειρηματικό μοντέλο μπορεί να είναι ασταθές: Οι περισσότερες λειτουργίες εξαρτώνται από την πώληση ανακτημένου κοβαλτίου για να παραμείνουν στην επιχείρηση, αλλά οι κατασκευαστές μπαταριών προσπαθούν να απομακρυνθούν από αυτό το σχετικά ακριβό μέταλλο. Εάν συμβεί αυτό, οι ανακυκλωτές θα μπορούσαν να μείνουν προσπαθώντας να πουλήσουν σωρούς «βρωμιάς», λέει η επιστήμονας υλικών Rebecca Ciez του Πανεπιστημίου Purdue.



 

ΤΟ ΙΔΑΝΙΚΟείναι άμεση ανακύκλωση, η οποία θα διατηρούσε ανέπαφο το μείγμα της καθόδου. Αυτό είναι ελκυστικό για τους κατασκευαστές μπαταριών επειδή οι ανακυκλωμένες κάθοδοι δεν θα απαιτούσαν βαριά επεξεργασία, σημειώνει ο Gaines (αν και οι κατασκευαστές μπορεί να χρειαστεί να αναζωογονήσουν τις καθόδους προσθέτοντας μικρές ποσότητες λιθίου). “Εάν σκέφτεστε λοιπόν την κυκλική οικονομία, η [άμεση ανακύκλωση] είναι μικρότερος κύκλος από το pyromet ή το hydromet.â€

Στην άμεση ανακύκλωση, οι εργαζόμενοι θα αφαιρούσαν πρώτα τον ηλεκτρολύτη με ηλεκτρική σκούπα και θα τεμάχιζαν τα στοιχεία της μπαταρίας. Στη συνέχεια, αφαιρούσαν συνδετικά με θερμότητα ή διαλύτες και χρησιμοποιούσαν μια τεχνική επίπλευσης για να διαχωρίσουν υλικά ανόδου και καθόδου. Σε αυτό το σημείο, το υλικό της καθόδου μοιάζει με βρεφική πούδρα.

Μέχρι στιγμής, τα πειράματα άμεσης ανακύκλωσης έχουν επικεντρωθεί μόνο σε μεμονωμένα κύτταρα και απέδωσαν μόλις δεκάδες γραμμάρια σκόνης καθόδου. Ωστόσο, ερευνητές στο Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας των ΗΠΑ έχουν κατασκευάσει οικονομικά μοντέλα που δείχνουν ότι η τεχνική θα μπορούσε, εάν κλιμακωθεί υπό τις κατάλληλες συνθήκες, να είναι βιώσιμη στο μέλλον.

Ωστόσο, για να πραγματοποιήσουν την άμεση ανακύκλωση, οι κατασκευαστές μπαταριών, οι ανακυκλωτές και οι ερευνητές πρέπει να επιλύσουν μια σειρά από ζητήματα. Το ένα είναι να φροντίζουν οι κατασκευαστές να επισημαίνουν τις μπαταρίες τους, ώστε οι ανακυκλωτές να γνωρίζουν με τι είδους κυψέλη έχουν να κάνουν - και αν τα μέταλλα της καθόδου έχουν κάποια αξία. Δεδομένης της ταχέως μεταβαλλόμενης αγοράς μπαταριών, σημειώνει ο Gaines, οι κάθοδοι που κατασκευάζονται σήμερα ενδέχεται να μην μπορούν να βρουν μελλοντικό αγοραστή. Οι ανακυκλωτές θα «ανακτούσαν έναν δεινόσαυρο. Κανείς δεν θα θέλει το προϊόν.â€



 

Ένας τεχνικός στη Γερμανία φροντίζει να αποφορτιστεί μια καμένη μπαταρία ιόντων λιθίου πριν από την περαιτέρω ανακύκλωση. WOLFGANG RATTAY/REUTERS

Μια άλλη πρόκληση είναι η αποτελεσματική διάσπαση των ανοιχτών μπαταριών EV. Η ορθογώνια μονάδα μπαταρίας Leaf της Nissan μπορεί να διαρκέσει 2 ώρες για να αποσυναρμολογηθεί. Τα κύτταρα του Tesla είναι μοναδικά όχι μόνο για το κυλινδρικό τους σχήμα, αλλά και για το σχεδόν άφθαρτο τσιμέντο πολυουρεθάνης που τα συγκρατεί.

Οι μηχανικοί μπορεί να είναι σε θέση να κατασκευάσουν ρομπότ που θα μπορούσαν να επιταχύνουν την αποσυναρμολόγηση της μπαταρίας, αλλά τα κολλώδη προβλήματα παραμένουν ακόμη και αφού μπείτε μέσα στο κελί, σημειώνουν οι ερευνητές. Αυτό συμβαίνει επειδή χρησιμοποιούνται περισσότερες κόλλες για να συγκρατούν τις ανόδους, τις καθόδους και άλλα εξαρτήματα στη θέση τους. Ένας διαλύτης που χρησιμοποιούν οι ανακυκλωτές για να διαλύσουν συνδετικά καθόδου είναι τόσο τοξικός που η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει θεσπίσει περιορισμούς στη χρήση του και η Υπηρεσία Προστασίας του Περιβάλλοντος των ΗΠΑ διαπίστωσε πέρυσι ότι ενέχει «αδικαιολόγητο κίνδυνο» για τους εργαζόμενους.

«Όσον αφορά τα οικονομικά, πρέπει να αποσυναρμολογήσετε» [και] εάν θέλετε να αποσυναρμολογήσετε, τότε πρέπει να απαλλαγείτε από τις κόλλες», λέει ο Andrew Abbott, χημικός στο Πανεπιστήμιο του Leicester και σύμβουλος του Thompson.

ΓΙΑ ΝΑ ΕΥΚΟΛΥΝΕΙ ΤΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ, Thompson και άλλοι ερευνητές προτρέπουν τους κατασκευαστές ηλεκτρικών οχημάτων και μπαταριών να αρχίσουν να σχεδιάζουν τα προϊόντα τους έχοντας κατά νου την ανακύκλωση. Η ιδανική μπαταρία, λέει ο Abbott, θα ήταν σαν ένα χριστουγεννιάτικο κράκερ, ένα βρετανικό δώρο διακοπών που ανοίγει όταν ο παραλήπτης τραβήξει κάθε άκρη, αποκαλύπτοντας καραμέλα ή ένα μήνυμα. Ως παράδειγμα, επισημαίνει τη Blade Battery, μια μπαταρία σιδηροφωσφορικού λιθίου που κυκλοφόρησε πέρυσι από την BYD, μια κινεζική εταιρεία ηλεκτρικών οχημάτων. Το πακέτο του καταργεί το εξάρτημα της μονάδας, αντί να αποθηκεύει επίπεδες κυψέλες απευθείας μέσα. Τα κύτταρα αφαιρούνται εύκολα με το χέρι, χωρίς να παλεύουν με σύρματα και κόλλες.

Το Blade Battery εμφανίστηκε αφού η Κίνα το 2018 άρχισε να κάνει τους κατασκευαστές EV υπεύθυνους για τη διασφάλιση της ανακύκλωσης των μπαταριών. Η χώρα ανακυκλώνει τώρα περισσότερες μπαταρίες ιόντων λιθίου από ό,τι ο υπόλοιπος κόσμος μαζί, χρησιμοποιώντας κυρίως πυρο- και υδρομεταλλουργικές μεθόδους.

Τα έθνη που κινούνται να υιοθετήσουν παρόμοιες πολιτικές αντιμετωπίζουν ορισμένα ακανθώδη ερωτήματα. Το ένα, λέει ο Thompson, είναι ποιος πρέπει να φέρει την κύρια ευθύνη για την πραγματοποίηση της ανακύκλωσης. «Είναι δική μου ευθύνη επειδή αγόρασα [ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο] ή είναι ευθύνη του κατασκευαστή επειδή το έφτιαξαν και το πουλάνε;»

Στην Ευρωπαϊκή Ένωση, μια απάντηση θα μπορούσε να έρθει αργότερα φέτος, όταν οι αξιωματούχοι θα εκδώσουν τον πρώτο κανόνα της ηπείρου. Και το επόμενο έτος, μια ομάδα εμπειρογνωμόνων που δημιουργήθηκε από την πολιτεία της Καλιφόρνια αναμένεται να σταθμίσει με συστάσεις που θα μπορούσαν να έχουν μεγάλη επιρροή σε οποιαδήποτε πολιτική των ΗΠΑ.

Οι ερευνητές ανακύκλωσης, εν τω μεταξύ, λένε ότι η αποτελεσματική ανακύκλωση μπαταριών θα απαιτήσει περισσότερα από απλώς τεχνολογικές προόδους. Το υψηλό κόστος μεταφοράς εύφλεκτων αντικειμένων σε μεγάλες αποστάσεις ή πέρα ​​από τα σύνορα μπορεί να αποθαρρύνει την ανακύκλωση. Ως αποτέλεσμα, η τοποθέτηση κέντρων ανακύκλωσης στα σωστά σημεία θα μπορούσε να έχει «τεράστιες επιπτώσεις», λέει ο Harper. «Αλλά θα υπάρξει μια πραγματική πρόκληση στην ενοποίηση συστημάτων και στη συγκέντρωση όλων αυτών των διαφορετικών τμημάτων έρευνας».

Υπάρχει λίγος χρόνος για χάσιμο, λέει ο Abbott. «Αυτό που δεν θέλετε είναι 10 χρόνια παραγωγής ενός κυττάρου που είναι απολύτως αδύνατο να χωριστεί», λέει. «Δεν συμβαίνει ακόμα», αλλά οι άνθρωποι φωνάζουν και ανησυχούν ότι θα συμβεί.»



 

+8613738042576
[email protected]