Lit, samochody elektryczne i ślad węglowy

Solnisko Salar de Atacama w Chile

Lit jest pierwiastkiem bardzo rozpowszechnionym, ale zarazem rozproszonym. Największe zasoby litu znajdują się w wodzie morskiej, ale nie da się go stąd pozyskiwać na skalę przemysłową ze względu na śladowe ilości w stosunku do objętości mórz i oceanów. Jest najlżejszym znanym metalem i w postaci minerałów stanowi tylko 0,0007% górnej warstwy skorupy ziemskiej jako np. krzemian litu, w solnych jeziorach jako węglan litu oraz chlorek litu. Można go pozyskiwać metodami górniczymi lub za pomocą odparowywania solanki w specjalnych sadzawkach na świeżym powietrzu. Ponad połowa światowych zasobów znajduje się w Ameryce Południowej, głównie w Boliwii. Oprócz tego państwami zasobnymi w lit są: Argentyna, Brazylia, Chile, USA, Zimbabwe, Kanada, Chiny, Autralia. Ostatnio francuski koncern górniczy Imerys poinformował, że do 2027 roku rozpocznie eksploatację w Beauvoir jednych z największych złóż w Europie. Nakłady na ten projekt szacowane są na 1 mld EUR.

Temperatura topnienia litu wynosi 180°C, a wrzenia 1342°C. Gęstość względna w temperaturze pokojowej (20°C) to 0,534 g/l. Metaliczny lit w stopach (np. z aluminium) stosowany jest w lotnictwie. Ciekły lit używany jest jako chłodziwo w reaktorach jądrowych, a deuterek litu stanowi istotny składnik broni termonuklearnej. W motoryzacji wykorzystywany jest jako kluczowy metal do produkcji akumulatorów litowo-jonowych o długiej żywotności i krótkim czasie ładowania. Natomiast baterie z tego reaktywnego, lekkiego metalu o wysokiej gęstości energii zapewniają życie elektronicznym gadżetom dzięki lepszej wydajności przy bardzo małym ciężarze.

W porównaniu z tradycyjnymi bateriami, akumulatory litowo-jonowe pobierają podczas ładowania do 30-40% mniej prądu, dlatego świetnie się sprawdzają w przenośnych urządzeniach. Zapotrzebowanie na lit ciągle wzrasta, czemu towarzyszy zwiększająca się produkcja urządzeń mobilnych i pojazdów elektrycznych dalekiego zasięgu. Rządy i korporacje na całym świecie walczą o dostawy tego cennego surowca. 

Obecne technologie pozyskiwania litu generują jednak olbrzymi ślad węglowy, który niestety nie jest uwzględniany przy porównywaniu wpływu różnych typów napędów na środowisko naturalne. Wygląda na to, że aby cieszyć się samochodem bezemisyjnym trzeba zużyć mnóstwo energii i zdegradować wiele terenów wyrządzając więcej szkody niż pożytku. Aby pozyskać metale ziem rzadkich trzeba bowiem skruszyć złoża do postaci pyłu, przepłukać i poddać procesom termicznym. Ścieki odprowadzane są do rzek i zbiorników naturalnych. Do pozyskania jednej tony litu potrzeba ponad 2 mln litrów wody. W Chile, na solnisku Salar de Atacama, wydobycie litu spowodowało zaniki roślinności, wyższe temperatury w ciągu dnia i susze na obszarach rezerwatów narodowych.

Kolejnym problemem jest recykling. Popularność elektryków trwa około dekady i jeśli średni czas życia samochodów to 20 lat, pierwsze ilości elektrycznego złomu pojawią się przed rokiem 2030. Nie ma jeszcze sprawdzonych technik przetwarzania i analiz kosztów oraz obciążenia dla środowiska. Niejasna wydaje się też perspektywa rynku serwisu i napraw aut elektrycznych po okresie gwarancji. 

Wraz z rosnącym popytem na pojazdy elektryczne, recykling baterii Li-ion stanie się wyzwaniem dla przemysłu akumulatorowego i motoryzacyjnego. Najpowszechniej stosowane metody recyklingu tradycyjnych akumulatorów (np. kwasowo-ołowiowych) nie sprawdzają się w przypadku baterii Li-ion - cięższych i dużo bardziej skomplikowanych, a nawet niebezpiecznych, jeśli nie zostaną ostrożnie rozmontowane. Zazwyczaj części akumulatorów są rozdrabniane na proszek, który jest następnie topiony lub rozpuszczany w kwasie. Baterie litowo-jonowe składają się z wielu różnych części, które mogą eksplodować i nawet jeśli zostaną rozłożone, nie są łatwe do ponownego wykorzystania. Metoda polegająca na rozdrabnianiu wszystkiego i próbach oczyszczenia złożonej mieszaniny skutkuje drogimi procesami z produktami o niskiej wartości. W rezultacie recykling kosztuje więcej niż wydobycie litu w celu wyprodukowania nowych baterii. Ponadto, ponieważ tanie sposoby recyklingu baterii litowych na dużą skalę są opóźnione, tylko około 5% baterii litowych jest obecnie poddawana recyklingowi na całym świecie – większość z nich po prostu się marnuje. 

Choć pojazdy elektryczne mogą przyczynić się do zmniejszenia emisji dwutlenku węgla w całym okresie ich użytkowania, zasilające je akumulatory rozpoczynają swoje życie z dużym śladem węglowym. Jeśli jednak miliony baterii Li-ion, które rozładują się po około 10 latach użytkowania, zostaną poddane bardziej efektywnemu recyklingowi, pomoże to zneutralizować cały ten wydatek. Kilka laboratoriów pracuje nad udoskonaleniem bardziej efektywnych metod recyklingu, tak aby w standardowy i przyjazny dla środowiska sposób recyklingu baterii litowo-jonowych był gotowy do zaspokojenia gwałtownie rosnącego popytu. Nie można dłużej traktować akumulatorów jako produktów jednorazowego użytku. 

Usprawnienie recyklingu akumulatorów Li, a w konsekwencji umożliwienie ponownego wykorzystania ich części, przywróci wartość już dostępnym akumulatorom. Dlatego naukowcy popierają proces bezpośredniego recyklingu – może on dać drugie życie najcenniejszym częściom baterii. Mogłoby to w znacznym stopniu zrównoważyć energię, odpady i koszty związane z ich produkcją. Ogniwo baterii Li-ion ma metalową katodę, czyli dodatnią elektrodę zbierającą elektrony podczas reakcji elektrochemicznej, wykonaną z litu i mieszanki pierwiastków, do których zazwyczaj należą kobalt, nikiel, mangan i żelazo. Posiada również anodę, czyli wykonaną z grafitu elektrodę, która uwalnia elektrony do obwodu zewnętrznego, separator oraz pewnego rodzaju elektrolit, który jest medium transportującym elektrony pomiędzy katodą a anodą. Jony litu przemieszczające się od anody do katody tworzą prąd elektryczny. Metale w katodzie są najcenniejsze i to na nich chemicy skupiają się podczas demontażu baterii Li-ion, aby je zachować i odnowić. 

Baterie Li-ion są wykorzystywane do zasilania wielu różnych urządzeń, od laptopów, przez samochody, po sieci energetyczne, a ich skład chemiczny różni się w zależności od przeznaczenia. Powinno to znaleźć odzwierciedlenie w sposobie ich recyklingu. Naukowcy twierdzą, że zakłady zajmujące się odzyskiwaniem surowców muszą oddzielnie segregować baterie litowo-jonowe, podobnie jak sortuje się różne rodzaje plastiku, aby proces był najbardziej efektywny. Zaledwie 30 kg materiałów z przeciętnej baterii do samochodu elektrycznego, która w większych autach może ważyć ponad pół tony, to odpady po recyklingu. Całą resztę można odzyskać i wykorzystać do wytwarzania nowych akumulatorów.

Zaostrzone przepisy ochrony środowiska w krajach rozwiniętych mobilizują producentów elektryków do inwestowania miliardy dolarów. Prawie wszystkie znaczące koncerny wytwarzają już samochody elektryczne lub ogłosiły plany ich budowy i sprzedaży. Kupujący wciąż jednak nie wykazują masowego zainteresowania tymi modelami - z powodu ograniczonego zasięgu jazdy, wciąż jeszcze niewystarczającej infrastruktury ładowarek, czasu potrzebnego do ładowania oraz wysokich cen pojazdów i energii elektrycznej.

Ślad węglowy to wskaźnik środowiskowy, który szacuje całkowitą wielkość emisji gazów cieplarnianych (CO2, CH4, N20, HFCs, PFCs, SF6, NF3) generowanych w procesie, produkcie lub usłudze w całym ich cyklu życia. Aby obliczenie śladu węglowego i śladu środowiskowego było wiarygodne i w pełni dostosowane do wytwarzanego produktu, konieczne jest przeprowadzenie dogłębnej analizy każdego z procesów produkcyjnych oraz zużycie energii i wody. Obecna technologia baterii litowo-jonowych, choć stale rozwijana, jest jeszcze zbyt niedoskonała, aby auta elektryczne mogły całkowicie zastąpić spalinowe.

Opracowała Agnieszka Kubasik

Źródła: wnp.pl; materialyinzynierskie.pl; mlodytechnik.pl; forsal.pl; motocaina.pl; cicenergigune.com