Переработка литий-ионных аккумуляторов для извлечения критически важных металлов оказывает значительно меньшее воздействие на окружающую среду, чем добыча первичных металлов, согласно новому анализу жизненного цикла Стэнфордского университета, опубликованному в Nature Communications. В больших масштабах переработка также может помочь облегчить долгосрочную нестабильность поставок — физическую и геополитическую — критически важных минералов для аккумуляторов.
Переработчики литий-ионных аккумуляторов получают материалы из двух основных потоков: дефектного лома от производителей аккумуляторов и так называемых «мертвых» аккумуляторов, которые в основном собираются на рабочих местах. В процессе переработки из этих источников извлекаются литий, никель, кобальт, медь, марганец и алюминий.
В исследовании количественно оценивался экологический след этого процесса переработки и было установлено, что он выбрасывает менее половины парниковых газов (ПГ) при традиционной добыче и переработке этих металлов и использует около четверти воды и энергии при добыче новых металлов. Экологические выгоды еще больше для потока лома, который составляет около 90% изученного вторичного сырья, составляя: 19% выбросов парниковых газов при добыче и переработке, 12% использования воды и 11% использования энергии. Хотя это не было специально измерено, снижение потребления энергии также коррелирует с меньшим количеством загрязнителей воздуха, таких как сажа и сера.
«Это исследование говорит нам о том, что мы можем спроектировать будущее переработки аккумуляторов для оптимизации экологических преимуществ. Мы можем написать сценарий», — сказал Уильям Тарпе (BS '12), доцент кафедры химической инженерии в Школе инженерии и старший автор исследования.
Расположение
Воздействие переработки аккумуляторов на окружающую среду в значительной степени зависит от местоположения перерабатывающего предприятия и источника электроэнергии.
«Завод по переработке аккумуляторов в регионах, которые в значительной степени зависят от электроэнергии, вырабатываемой при сжигании угля, приведет к уменьшению климатических преимуществ», — сказала Саманта Бунке, аспирант Стэнфорда и одна из трех ведущих исследователей исследования.
«С другой стороны, большую озабоченность вызывает нехватка пресной воды в регионах с более чистой электроэнергией», – добавил Бунке.
Большая часть данных исследования по переработке аккумуляторов поступила от Redwood Materials в Неваде — крупнейшего промышленного предприятия по переработке литий-ионных аккумуляторов в Северной Америке, которое извлекает выгоду из более чистого энергетического баланса западной части США, включающего гидроэнергетику, геотермальную и солнечную энергию.
Транспорт также является решающим фактором. Например, при добыче и переработке кобальта 80% мировых поставок добывается в Демократической Республике Конго. Затем 75% кобальта, поставляемого для аккумуляторов, направляется автомобильным, железнодорожным и морским транспортом в Китай для переработки. Между тем, большая часть мировых поставок лития добывается в Австралии и Чили. Большая часть этих поставок также направляется в Китай. Эквивалентным процессом переработки батареек является сбор использованных батареек и лома, которые затем должны быть транспортированы на переработку.
«Мы определили, что общее расстояние транспортировки при традиционной добыче и переработке только активных металлов в батарее составляет в среднем около 35 000 миль (57 000 километров). Это все равно, что совершить кругосветное путешествие полтора раза», — сказал Майкл Мачала, доктор философии, также ведущий автор исследования.
«По нашим оценкам, общая транспортировка использованных батарей от вашего мобильного телефона или электромобиля до гипотетического нефтеперерабатывающего завода в Калифорнии составила около 140 миль (225 километров)», — добавил Мачала, который на момент исследования был постдокторантом в Стэнфордском институте энергетики Прекорта, а в настоящее время является штатным научным сотрудником Исследовательского института Toyota. Это расстояние было основано на предполагаемых оптимальных местах для будущих нефтеперерабатывающих мощностей на фоне большого количества перерабатываемых батарей в США.
Патентное преимущество
Экологические результаты Redwood не отражают общие экологические показатели зарождающейся отрасли переработки аккумуляторов по переработке использованных батареек. Традиционная пирометаллургия, ключевой этап нефтепереработки, является очень энергоемкой, обычно требующей температуры более 2550 градусов по Фаренгейту (1400 градусов по Цельсию).
Однако Редвуд запатентовал процесс под названием «восстановительное кальцинирование», который требует значительно более низких температур, не использует ископаемое топливо и дает больше лития, чем традиционные методы.
«Другие пирометаллургические процессы, подобные тому, что происходит в Редвуде, проявляются в лабораториях, которые также работают при умеренных температурах и не сжигают ископаемое топливо», — сказал третий ведущий автор, Си Чен, постдокторант в Стэнфорде во время исследований, а теперь доцент в Городском университете Гонконга.
«Каждый раз, когда мы рассказывали о нашем исследовании, компании задавали нам вопросы и включали то, что мы обнаружили, в более эффективные практики», — добавил Чен. «Это исследование может помочь расширить масштабы компаний по переработке аккумуляторов, например, о важности выбора хороших мест для новых объектов. Калифорния не имеет монополии на старение литий-ионных аккумуляторов от сотовых телефонов и электромобилей».
Взгляд в будущее
Переработка батареек в промышленных масштабах растет, но недостаточно быстро, по словам старшего автора Тарпе.
«По прогнозам, в следующем десятилетии у нас закончатся новые кобальт, никель и литий. Возможно, какое-то время мы будем добывать только минералы с более низким содержанием, но 2050 год и цели, которые у нас есть на этот год, не за горами», — сказал он.
В то время как США в настоящее время перерабатывают около 50% доступных литий-ионных аккумуляторов, они успешно перерабатывают 99% свинцово-кислотных аккумуляторов в течение десятилетий. Учитывая, что использованные литий-ионные батареи содержат материалы с экономической ценностью в 10 раз выше, возможность значительна, сказал Тарпе.
«В будущем, когда поставки использованных батарей значительно увеличатся, нам необходимо уже сегодня разработать и подготовить систему переработки от сбора до переработки в новые батареи с минимальным воздействием на окружающую среду», — добавил он. «Надеемся, что производители аккумуляторов также будут больше учитывать возможность вторичной переработки в своих будущих проектах».
Источник: https://techxplore.com/news/2025-02-recycling-lithium-ion-batteries-slashes.html