Kluczowe technologie recyklingu akumulatorów litowo-jonowych

Akumulatory litowo-jonowe są szeroko stosowane w elektronice użytkowej, pojazdach elektrycznych (EV) i stacjonarnych magazynach energii. Wraz z rosnącym popytem coraz ważniejsze staje się zarządzanie ich zrównoważonym rozwojem przez cały cykl życia, w tym pod koniec okresu eksploatacji (EOL). Celem recyklingu baterii litowo-jonowych jest odzyskanie zawartych w nich cennych metali, takich jak nikiel, kobalt i lit. W zależności od zastosowanej techniki, produkty z tych procesów mogą wymagać dalszej rafinacji lub przetwarzania, aby umożliwić ich ponowne wprowadzenie do produkcji nowych akumulatorów.

Recykling mechaniczny

Przetwarzanie mechaniczne jest najprostszą techniką, która jest stosowana przez wiele firm na całym świecie w początkowym etapie recyklingu akumulatorów litowo-jonowych. Zazwyczaj rozpoczyna się od etapu demontażu, który jest wykonywany ręcznie ze względu na różnice w konstrukcji akumulatorów EV i wymaga do tego wykwalifikowanej siły roboczej. Kolejne etapy obejmują rozdrabnianie, mielenie i kruszenie, wykonywane w atmosferze obojętnej. Powoduje to rozbicie materiałów o wysokiej wartości oraz oddzielenie ich od folii i obudowy. Często stosuje się przesiewanie w celu oddzielenia większych fragmentów kolektorów prądu, obudów i separatorów od materiałów elektrod, które są zbudowane z bardzo drobnych proszków. W efekcie wyprodukowana jest czarna masa wymagająca dalszej rafinacji poprzez przetwarzanie hydrometalurgiczne lub pirometalurgiczne, aby uzyskać sole metali o jakości akumulatorowej. Większość firm w Europie i Ameryce Północnej posiada obecnie jedynie możliwości recyklingu mechanicznego. W związku z tym większość z nich nie może jeszcze wytwarzać materiałów, które byłyby gotowe do produkcji nowych akumulatorów. Czarna masa jest zatem transportowana do zakładów recyklingu w regionie Azji i Pacyfiku, które mają takie technologie.

Recykling pirometalurgiczny

Pirometalurgia polega na wykorzystaniu ciepła do ekstrakcji materiałów akumulatorowych, zwykle wykonywanej z dużą wydajnością w elektrycznym piecu łukowym lub szybowym. Zaletami tego procesu są niewielkie wymagania dotyczące obróbki wstępnej oraz to, że jest on niezależny od składu chemicznego baterii, a zatem może przyjmować różne strumienie odpadów zawierające metale jako surowiec, takie jak baterie NiMH, Ni-Cd i Li-ion. Proces ten ma jednak wysokie wymagania kapitałowe, a także jest energochłonny i wymaga oczyszczania gazów odlotowych. Pirometalurgia wytwarza mieszany stop metali, a także strumień żużla zawierający lit, mangan i aluminium. Jeśli zatem wszystkie cenne metale miałyby zostać pozyskane w klasie akumulatorowej, nadal wymagałoby to dalszego przetwarzania hydrometalurgicznego.

Przykład pirometalurgicznego procesu recyklingu zużytych baterii. Źródło: IDTechEx

Recykling hydrometalurgiczny

Techniki hydrometalurgiczne mogą być wykorzystywane do bezpośredniego recyklingu czarnej masy lub rafinacji stopów wytwarzanych w procesie pirometalurgii, aby utworzyć sole metali o jakości baterii. Sole te mogą być ponownie wprowadzone do produkcji nowych prekursorów katod i dlatego mają wyższą wartość niż czarna masa wytwarzana w procesie recyklingu mechanicznego. W recyklingu hydrometalurgicznym można zastosować etapy ługowania, ekstrakcji rozpuszczalnikiem lub wytrącania w celu selektywnej ekstrakcji metali, takich jak nikiel i kobalt, z czarnej masy powstałej w wyniku recyklingu mechanicznego, w postaci soli o jakości akumulatorowej. Kluczowymi zaletami recyklingu hydrometalurgicznego jest to, że można odzyskać więcej cennych metali i jest on mniej energochłonny niż recykling pirometalurgiczny. Jednak wadami są tutaj koszty odczynników i duże zużycie wody, chociaż w wywiadach z IDTechEx niektóre firmy twierdziły, że są w stanie wielokrotnie przepuszczać wodę przez proces recyklingu, aby zmaksymalizować jego wydajność.

Obecnie zdolności do recyklingu hydrometalurgicznego mają gracze w regionie Azji i Pacyfiku, tacy jak SungEel HiTech, Exigo Recycling i ACE Green Recycling. Jednak firmy w Europie i Stanach Zjednoczonych również dostrzegają korzyści płynące z takiego procesu przetwarzania i wprowadzają u siebie takie możliwości. Niedawno komercyjną działalność swojego zakładu hydrometalurgicznego rozpoczęło, jako pierwsze w Europie, przedsiębiorstwo Fortum w miejscowości Harjavalta w Finlandii. W Stanach Zjednoczonych utworzenie takiego zakładu planuje natomiast firma Li-Cycle.

Inne techniki

Oprócz trzech najbardziej rozwiniętych procesów recyklingu akumulatorów litowo-jonowych, badane są również inne sposoby, a mianowicie bezpośredni recykling, który obejmuje mechaniczne przetwarzanie wstępne i etapy separacji komponentów, a następnie reaktywację materiału akumulatora w celu odzyskania pojemności utraconej np. podczas jazdy na rowerze elektrycznym, ale bez rozbijania struktury krystalicznej materiału katody. Jest to jednak technologia dopiero wstępnie skomercjalizowana, analizowana wciąż przez instytucje badawcze w skali laboratoryjnej.

Producenci akumulatorów zainteresowani pozyskiwaniem materiałów z recyklingu

Ilość wycofanych z eksploatacji akumulatorów litowo-jonowych wciąż rośnie i firmy zajmujące się ich recyklingiem będą budować nowe zakłady w celu zwiększenia swoich możliwości przetwórczych i zaspokojenia popytu. Dzięki recyklingowi baterii litowo-jonowych za pomocą techniki hydrometalurgicznej, firmy mogą wytwarzać sole metali o jakości pozwalającej wykorzystać je do produkcji nowych akumulatorów. W najbliższych latach będzie można zaobserwować wzrost mocy przerobowych w zakresie recyklingu hydrometalurgicznego i mechanicznego w Ameryce Północnej, Europie i regionie Azji i Pacyfiku. Firmy zajmujące się recyklingiem w Europie i Ameryce Północnej zaczną również tworzyć zakłady przetwórstwa hydrometalurgicznego na skalę komercyjną, aby produkować sole metali o wyższej wartości zamiast wytwarzanej do tej pory czarnej masy. Zapewni to producentom akumulatorów w tych regionach lokalne dostawy materiałów bez ryzyka związanego z importem surowców z innych kontynentów oraz terenów zagrożonych, jak również z wahaniami kosztów.

Źródło: idtechex.com