Оптимизация цикла переработки аккумуляторов

По мере того как мир переходит на экологически чистые технологии и использование возобновляемых источников энергии, спрос на аккумуляторы стремительно растет. Это особенно актуально для литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов, которые используются в огромном количестве компонентов, включая смартфоны, электромобили и системы хранения энергии. Однако такое растущее использование литий-ионных аккумуляторов диктует необходимость создания устойчивой цепочки поставок и стратегии утилизации образующихся отходов по мере того, как все больше аккумуляторов выходят из строя.

Литий-ионные аккумуляторы можно перерабатывать тремя основными методами: пирометаллургией, гидрометаллургией или прямой переработкой, причем некоторые из этих процессов можно комбинировать. В большинстве случаев для использования этих методов требуется предварительная переработка аккумулятора, включающая в себя разрядку или дезактивацию, разборку и его извлечение.

Когда остаточная энергия литий-ионного аккумулятора может экономично накапливаться, достигается электрический разряд. В противном случае для предотвращения возгорания требуется деактивация путем погружения аккумулятора в инертный водный раствор. Разряженные или деактивированные аккумуляторы можно разобрать вручную, чтобы сохранить их компоненты. Однако этот процесс занимает довольно много времени и связан с воздействием на работников опасных материалов. Самый простой метод разборки — измельчение или дробление аккумуляторов на мелкие фрагменты, которое зачастую выполняется в вакууме или инертной атмосфере. Однако это не позволяет отделить токоприемники и корпус аккумулятора, что приводит к увеличению затрат на последующую переработку.

После предварительной переработки литий-ионные аккумуляторы подвергаются дальнейшей обработке для извлечения ценных металлов, таких как литий, кобальт, марганец, медь, никель и железо.

Чтобы избежать горения, в процессе пирометаллургии материалы подвергаются воздействию высоких температур в инертной среде. Этот процесс отличается простотой, масштабируемостью и эффективностью для извлечения кобальта, марганца, меди, никеля и железа. Однако для его проведения требуется большое количество энергоресурсов, что приводит к меньшему выходу извлеченного лития по сравнению с другими методами. Более высокая чистота извлекаемых металлов может быть достигнута путем сочетания пирометаллургических и гидрометаллургических процессов.

В гидрометаллургии используется водный раствор для ионизации активных материалов, в результате чего металлы удаляются путем выщелачивания с помощью кислот, щелочей или биоорганических веществ. Этот метод обеспечивает точное извлечение, более высокую чистоту продукта и значительно меньшее потребление энергии, чем в пирометаллургии. Однако использование опасных химических веществ сопряжено с риском для безопасности как персонала, так и окружающей среды. Поэтому для снижения этих рисков необходимо тщательное управление отходами и улавливание токсичных газов.

В отличие от традиционных методов, при которых материал катода разлагается на элементы, прямая переработка, или «переработка катода в катод», сосредоточена на разделении и восстановлении использованного материала. Этот подход используется для восстановления емкости литий-ионных аккумуляторов.

Для прямой переработки требуется меньше этапов предварительной обработки и химических растворителей по сравнению с пирометаллургией и гидрометаллургией. Благодаря этому методу получаются продукты более высокой чистоты, что снижает потребность в добываемых материалах и способствует созданию более устойчивой циркулярной экономики аккумуляторов. Существенным ограничением прямой рециркуляции является ее зависимость от типа катода. Из-за отсутствия стандартизации в конструкции аккумуляторов и химическом составе элементов тщательное разделение компонентов имеет решающее значение для успешного осуществления этого процесса.

Биовыщелачивание — это новый метод переработки, но его эффективность в крупных масштабах остается неопределенной. В этом процессе особые минералы из аккумулятора извлекаются с помощью бактерий. Биовыщелачивание успешно применяется в горнодобывающей промышленности. Эта процедура может служить в качестве дополнительного процесса наряду с гидрометаллургией и пирометаллургией.

Роботизированная разборка отработанных аккумуляторов — быстро развивающаяся технология с многообещающим потенциалом. Этот метод автоматизирует процесс разборки аккумуляторов, повышая эффективность и снижая опасность воздействия токсичных материалов аккумуляторов на людей. Несмотря на значительный прогресс, роботизированная разборка использованных аккумуляторов все еще сопряжена с рядом сложностей, вызванных различиями в конструкции аккумуляторов и нестандартными компонентами, такими как гибкие кабели, расположенные в разных местах одного и того же аккумулятора. Для решения этих сложных задач необходимы передовые алгоритмы, способные к адаптивному и интеллектуальному управлению. Для решения этих и других сложных проблем, связанных с разборкой, необходимо провести оптимизацию средств автоматизации, особенно с учетом растущих потребностей в переработке аккумуляторов.

Более эффективные методы разборки и возможность восстановления целых компонентов снижают потребность в новых материалах для создания новых аккумуляторов. Благодаря этому снижается «углеродный след» производства аккумуляторов и увеличивается общая емкость цепочки поставок аккумуляторов.

Несмотря на то, что эти процессы переработки аккумуляторов эффективны для извлечения минералов из литий-ионных аккумуляторов, по-прежнему сохраняются проблемы с экологией и безопасностью. Например, химические процессы, используемые в гидрометаллургической переработке, предполагают применение кислот, сильных растворителей, токсичных химикатов и других потенциально опасных веществ. Их необходимо тщательно контролировать, чтобы не допустить причинения вреда человеку или загрязнения окружающей среды. Кроме того, для некоторых механических и химических методов переработки требуются высокие температуры и энергопотребление. Эти методы увеличивают общий углеродный след от процесса переработки, что, в свою очередь, вызывает опасения относительно его экологичности.

Кроме того, большинство литий-ионных аккумуляторов по окончании срока службы классифицируются как опасные отходы по ряду причин, связанных с их химическим составом, возможностью возгорания и негативным воздействием на окружающую среду. При разборке и переработке аккумуляторов безопасность работников имеет первостепенное значение. Работа с токсичными материалами и опасность возникновения пожаров или взрывов требуют соблюдения строгих правил безопасности. Решение этих проблем имеет огромное значение для повышения эффективности, безопасности, экологичности и экономической целесообразности переработки аккумуляторов в долгосрочной перспективе.

Достижение циркулярной экономики в производстве аккумуляторов требует практически полного восстановления активных материалов, пластмасс и металлических пленок, используемых при их изготовлении. Это выходит за рамки традиционной переработки, поскольку требует переосмысления конструкции, использования и утилизации аккумуляторов. Экологически рациональное использование аккумуляторов имеет решающее значение для создания системы замкнутого цикла и максимального повторного использования или переработки.

Один из подходов заключается в использовании аккумуляторов «второго срока службы», когда отработанные аккумуляторы повторно применяются в менее требовательных областях, например, в системах хранения энергии для возобновляемых источников энергии. Это позволяет продлить срок службы и снизить потребность в новых аккумуляторах, тем самым уменьшая спрос на переработанные минералы.

Политика и нормативно-правовое регулирование также играют решающую роль в завершении цикла создания аккумулятора. Правительствам и регулирующим органам необходимо установить стандарты и меры стимулирования, которые будут способствовать надлежащей утилизации, переработке и использованию переработанных материалов в новых аккумуляторах. Для разработки обоснованных норм и правил необходима совместная работа политиков, представителей промышленности и конечных пользователей, чтобы способствовать созданию устойчивой экосистемы аккумуляторов.

Аккумуляторы для электромобилей, преимущественно литий-ионные, могут быть переработаны с помощью описанных процессов. Однако большие размеры, вес и сложность аккумуляторов для электромобилей многократно увеличивают трудности, связанные с извлечением минералов.

Несмотря на проблемы с производственными мощностями, эффективность утилизации аккумуляторных батарей для электромобилей быстро повышается благодаря упомянутым ранее инновациям. В связи с быстрым ростом количества аккумуляторов, требующих дальнейшей переработки, масштабная переработка аккумуляторов становится все более важной областью исследований. Эта цифра постоянно растет по мере того, как на дорогах появляется все большее количество электромобилей и увеличивается популярность систем хранения энергии на основе аккумуляторов.

Порошковые заводы по переработке литий-ионных аккумуляторов извлекают ценные материалы из отработанных аккумуляторов, преобразуя их в порошок. Эти объекты становятся все более распространенными для повторного использования в новых аккумуляторах. Они измельчают полученный из разобранных аккумуляторов порошок «черной массы» до составных элементов, что позволяет увеличить извлечение минералов. Обычно это достигается путем высокоинтенсивной термической обработки, такой как плавка или обжиг (пирометаллургия), или путем химического выщелачивания (гидрометаллургия). Хотя термическая обработка более проста, она приводит к более низкому выходу компонентов по сравнению с выщелачиванием. Поэтому часто используется комбинация обоих методов, используя преимущества каждого из них.

Порошковые заводы по переработке литий-ионных аккумуляторов демонстрируют потенциал передовых технологий утилизации, позволяющих замкнуть цепочку поставок аккумуляторов. Извлечение высокочистых материалов в многократно используемые формы позволяет снизить потребность в добываемых материалах, уменьшая воздействие производства аккумуляторов на окружающую среду.

Переработка аккумуляторов необходима для рационального использования ресурсов в мире, который все больше зависит от источников энергии, не использующих ископаемое топливо. Несмотря на то, что процесс и связанные с ним технологии быстро развиваются, все еще существуют определенные проблемы. Однако благодаря постоянным инновациям и сотрудничеству промышленные предприятия все ближе подходят к созданию систем замкнутого цикла, позволяющих максимально увеличить стоимость использованных аккумуляторов. В то же время такой подход позволяет минимизировать воздействие на окружающую среду при производстве новых аккумуляторов.