Cercetătorii lucrează în prezent la diverse metode prin care să recupereze materiile prime din bateriile Li-Ion uzate, însă până în prezent soluțiile identificate nu sunt eficiente pe scară largă sau au ca dezavantaj creșterea poluării.
Subiectul este atractiv pentru comunitatea științifică mai ales în condițiile în care bateriile Li-Ion utilizează materii prime disponibile doar în anumite țări ale lumii, iar extracția și exploatarea acestora este dificilă și, în funcție de metodele utilizate, are ca dezavantaj major poluarea mediului înconjurător.
În plus, reciclarea bateriilor a devenit un subiect și mai popular ca urmare a numeroaselor incertitudini de natură geopolitică, care ar putea influența în mod negativ importurile de materii prime esențiale din anumite țări ale lumii.
În prezent, două dintre cele mai populare metode de reciclare sunt pirometalurgia și hidrometalurgia. Pe de o parte, pirometalurgia presupune tocarea și topirea celulelor bateriei și apoi extragerea metalelor din compoziția rezultată, în timp ce hidrometalurgia are ca scop scufundarea celulelor bateriei în bazine cu lichide din care se extrag apoi materiile prime componente.
În cazul hidrometalurgiei, procesul chimic prin care celulele bateriei sunt dizolvate într-un lichid pentru a extrage metalele se numește levigare. Principala problemă a acestei metode de reciclare este că, pentru a fi cât mai eficientă, dizolvarea are loc de regulă în substanțe chimice acide dăunătoare pentru mediul înconjurător precum acid sulfuric, acid clorhidric, acid azotic, hidroxid de sodiu, hidroxid de amoniu sau amoniac.
Cu PPC Blue, fiecare încărcare devine parte dintr-o călătorie mai smart. Noi aducem mobilitatea electrică mai aproape de tine, fie că ești acasă, la birou sau în deplasare. Tu trebuie doar să te bucuri de libertatea de a merge mai departe, fără griji. Fiecare încărcare înseamnă un pas spre un viitor care contează.
Găsește stația de încărcare potrivită pentru tine pe ppcblue.ro
Alternativa chinezească
Mai mulți cercetări chinezi care lucrează la diverse instituții științifice din China, printre care Universitatea Central South din Changsha, Universitatea Guizhou din Guiyang și National Engineering Research Centre of Advanced Energy Storage Materials din Changsha au încercat să identifice o substanță lichidă mai prietenoasă cu mediul înconjurător pe care să o folosească în procesul hidrometalurgiei în locul acizilor.
După mai multe experimente, cercetătorii chinezi susțin că au identificat o soluție optimă pentru reciclarea bateriilor. Astfel, în loc să utilizeze acizi pentru dizolvarea celulelor bateriei, cercetătorii au mizat pe glicină, un aminoacid descoperit în 1820 prin fierberea gelatinei în acid sulfuric.
Glicina este un ligand, ceea ce în chimie înseamnă că are o moleculă capabilă să se „lege” de un metal precum litiul pentru a forma un complex chimic. Prin urmare, în urma reacției dintre celulele bateriei și soluția de glicină, metalele pot fi separate într-un mediu neutru.
Cum a decurs experimentul
În cadrul experimentului, cercetătorii au utilizat celule de litiu uzate din bateriile de tip CR2032. Astfel de baterii sunt folosite în mod uzual în dispozitive cu un consum mic de energie electrică precum ceasuri de mână, termometre digitale sau telecomenzi auto.
În prima etapă, cercetătorii au dizolvat aproximativ 3,75 grame de glicină în 100 de mililitri de apă deionizată, iar pH-ul acestei soluții a fost ajustat gradual între 6 și 11 prin adăugarea succesivă, picătură cu picătură, a unei soluții de hidroxid de sodiu. Amestecul rezultat a fost transferat ulterior într-un balon cu trei gâturi. Fiecare gât al balonului a fost echipat cu un instrument de măsurare: un termometru, un tub condensator și o sondă de pH.
În pasul următor, cercetătorii au pregătit soluția lichidă în care să introducă celulele bateriei prin încălzirea acesteia la o temperatură de 80 de grade Celsius. Ulterior, au adăugat 0,5 grame de pulbere de catod uzat și 2,1 grame de sulfat feros și au așteptat între 120 și 450 de minute pentru ca soluția să reacționeze.
La intervale regulate de timp, cercetătorii au prelevat probe de un mililitru de soluție pentru a testa eficiența levigării, iar experimentele s-au desfășurat cu numeroase variabile pentru a identifica cea mai eficientă combinație.
Astfel, probele au fost prelevate în momente cu pH diferit, cu concentrații diferite de oxalat de sodiu și concentrații diferite de sulfat feros. Pentru fiecare probă, cercetătorii au realizat o filtrare pentru a separa amestecul solid-lichid și pentru a identifica astfel gradul de recuperare pentru materiile prime ale bateriei utilizate în cadrul testelor: litiu, mangan, cobalt și nichel.
După ce au identificat parametri optimi care permit recuperarea unei cantități cât mai mari de materii prime, cercetătorii au efectuat un ultim set de analize pentru a identifica timpul optim de reacție.
Astfel, rezultatele au arătat că cea mai mare cantitate de materii prime recuperate are loc după 15 minute de la startul reacției. Mai exact, prin acest ultim experiment, cercetătorii au recuperat 99,99% din litiu, 96,9% din nichel, 92,3% din cobalt și 90,6% din mangan.
Cercetătorii au publicat o imagine cu structura inițială a bateriei și cu descompunerea acesteia în materii prime la diverse intervale de timp în cadrul experimentului final. Practic, se observă că cea mai bună descopunere a avut loc la 15 minute de la inițierea reacției.
Reconstruirea bateriei inițiale
Pasul final al reciclării a fost reprezentat de utilizarea materiilor prime rezultate în urma experimentului pentru a reconstitui bateria. Astfel, cercetătorii au amestecat compozițiile și, într-o atmosferă de oxigen, le-au încălzit inițial la 500 de grade timp de 4 ore, pentru ca apoi să încălzească compoziția la 900 de grade timp de 10 minute.
Prin această metodă, cercetătorii au obținut regenerarea sub formă de cristale a materialului catodic cunoscut sub numele de NCM622. Acest tip de material catodic este folosit în bateriile Li-Ion cu o compoziție de 60% nichel, 20% cobalt și 20% mangan, de unde provine de altfel și numele acestuia.
Bateria astfel reciclată avea inițial capacitatea de 166,7 mAh. Pentru a testa capacitatea de retenție a bateriei, cercetătorii au efectuat 100 de cicluri de încărcare-descărcare la temperatura de 0,5 grade Celsius. La finalul celor 100 de cicluri, capacitatea bateriei a fost de 139 mAh, ceea ce înseamnă că bateria reciclată și-a păstrat 89,5% din capacitatea inițială. Cercetătorii notează în studiu că rata de degradare de 10,5% este una tipică pentru bateriile comerciale de acest tip.
Provocări pentru implementare pe scară largă
Experimentul realizat de cercetătorii chinezi reprezintă o veste bună pentru comunitatea științifică, întrucât oferă perspectiva de a recicla eficient baterii bazate pe litiu fără utilizarea unor soluții dăunătoare pentru mediul înconjurător.
Cu toate acestea, experimentul reușit cu o baterie de mărirea unei monezi nu garantează încă faptul că metoda va putea fi replicată în același fel și în cazul unor baterii Li-Ion uzate de pe mașinile electrice.
Practic, studiul inițial va trebui mai întâi confirmat prin cercetări suplimentare și continuat apoi prin utilizarea unor baterii mai mari pentru a testa eficiența soluției. De altfel, la fel cum se întâmplă de exemplu în cazul medicinei, cercetătorii se așteaptă în mod uzual la apariția unor provocări de natură tehnică în momentul în care încearcă să scaleze o anumită tehnologie.
Una dintre cauzele pentru care implementarea metodei la scară largă va fi dificilă este că producătorii de baterii pentru mașini electrice utilizează compoziții mai mult sau mai puțin diferite pentru materiile prime precum litiu, nichel, mangan sau cobalt. Așa cum au arătat inclusiv experimentele din acest studiu, orice modificare a unui parametru poate conduce la rezultate complet diferite în funcție de substanțele chimice sau de temperaturi.
În plus, în industria auto se folosesc tot mai frecvent baterii de tip LFP, care în ciuda unei densități de energie mai mică sunt integrate pe modele electrice cu prețuri accesibile datorită faptului că nu conțin nichel, cobalt și mangan, ci fosfat și fier, materii prime mai ieftine și mai puțin dăunătoare mediului înconjurător.
În paralel, comunitatea științifică continuă să gândească și alte metode prin care să recicleze materiile prime ale bateriilor într-un mod cât mai eficient. Cea mai promițătoare este tehnica separării fizice a materiilor prime fără utilizarea unor soluții precum cele din hidrometalurgie.
Citește detalii despre această metodă de reciclare
Indiferent de metoda sau metodele care vor fi în cele din urmă adoptate pe scară largă pentru reciclarea bateriilor uzate, industria auto va avea de câștigat prin reducerea dependenței de extracția de materii prime, care de cele mai multe ori este dăunătoare pentru mediul înconjurător: în urma proceselor de extracție se formează de regulă deșeuri care conțin substanțe chimice, iar dacă acestea nu sunt gestionate corespunzător pot conduce la contaminarea solului și a apei din regiunea în care se află instalația de reciclare.
În plus, procesele de extracție au nevoie de cantități mari de apă, iar în numeroase zone bogate în materii prime esențiale resursele de apă potabilă sunt limitate, o problemă care se accentuează în ultima perioadă la nivel global din cauza fenomenului de încălzire globală.
Foto principală: Dreamstime.
