Innováció

Új életre kelhetnek a lítium akkumulátorok?

NRGreport | 2022.01.10. 05:00

Miközben a világ a járművek villamosítására és a megújuló energia felhasználására törekszik, egy óriási kihívással néz szembe: mi lesz a régi lítium akkumulátorokkal?

Ahogy az elektromos járművek halk zúgása fokozatosan felváltja a belsőégésű motorok fordulatszámát és mérgező füstjét, számos változás fog bekövetkezni megszokott világunkban.

Ez a villamosított jövő sokkal közelebb van, mint gondolnánk. A General Motors az év elején jelentette be, hogy 2035-ig felhagy a benzinüzemű járművek értékesítésével, az Audi célja, hogy 2033-ra leállítsa a gyártásukat, és sok más nagy autógyár követi a példájukat. Sőt, a BloombergNEF szerint 2040-re a világ személyautó-eladásainak kétharmada elektromos lesz. Az akkumulátor-tárolási technológia fejlődésének köszönhetően pedig világszerte rohamosan bővülnek a hálózati rendszerek.

Bár ez ideális útnak tűnhet a fenntartható energiaellátás és közúti közlekedés felé, van egy nagy probléma. Jelenleg a lítium (Li) ion akkumulátorokat használják jellemzően az elektromos járművekben és a megújuló energiaforrásokból származó energia tárolására használt megaakkumulátorokban, amiket nehéz újrahasznosítani.

Ahogy az elektromos autók iránti kereslet növekszik, az akkumulátor- és gépjárműiparban is egyre inkább törekednek a nagyobb mennyiségű újrahasznosításra.

Ennek egyik oka az, hogy a hagyományosabb akkumulátorok, például az ólom-sav akkumulátorok újrahasznosításának legelterjedtebb módszerei nem működnek jól a lítium akkumulátorok esetében. Az utóbbiak jellemzően nagyobbak, nehezebbek, sokkal bonyolultabbak és még veszélyesek is, ha rosszul szedik szét őket.

"A jelenlegi módszer, hogy egyszerűen mindent felaprítunk, és megpróbáljuk megtisztítani a bonyolult keveréket, drága folyamatokat eredményez, alacsony értékű termékekkel" – mondja Andrew Abbott, a Leicesteri Egyetem tanára. Ennek eredményeképpen többe kerül az újrahasznosításuk, mint a lítium bányászata az újak előállításához. Mivel a lítium akkumulátorok hatékony és olcsó újrahasznosítása még mindig nem megoldott, ezért ezeknek az akkumulátoroknak világszerte csak 5%-át hasznosítják újra, ami azt jelenti, hogy az akkumulátorok legtöbbje egyszerűen hulladékká válik.

De nem az újrahasznosítás hiánya az egyetlen ok, amiért a lítium akkumulátorok jelentősen megterhelik a környezetet. A Li-akkumulátorokhoz szükséges különböző fémek bányászata hatalmas erőforrásokat igényel. Egy tonna lítium bányászatához 500 000 gallon (2 273 000 liter) vízre van szükség. A chilei Atacama sós síkságokon a lítiumbányászat összefüggésbe hozható a növényzet csökkenésével, a nappali hőmérséklet emelkedésével és a nemzeti rezervátumokban a szárazság fokozódásával. Tehát még ha az elektromos autók életük során segíthetnek is csökkenteni a szén-dioxid (CO2) kibocsátást, az őket működtető akkumulátorok hatalmas környezeti lábnyomot hagynak maguk után.

Nem kezelhetjük többé eldobható elemként az akkumulátorokat

Számos laboratórium dolgozik a hatékonyabb újrahasznosítási módszerek tökéletesítésén, hogy végül a Li-akkumulátorok – amelyek élettartama körülbelül 10 év – újrahasznosításának szabványosított, környezetbarát módját kínálják az egekbe szökő kereslet kielégítésére.

"Meg kell találnunk a módját annak, hogy a lítium, a kobalt és a nikkel bekerüljön az úgynevezett körkörös életciklusba, mivel a lítium, a kobalt és a nikkel bányászata, finomítása és az akkumulátorok előállítása rengeteg energiát és erőfeszítést igényel. Nem kezelhetjük többé eldobható elemként az akkumulátorokat" – mondja Shirley Meng, a San Diegó-i Kaliforniai Egyetem energetikai technológiák professzora.

Hogyan lehet újrahasznosítani a Li akkumulátorokat?

Meng szerint az Li-akkumulátorra úgy kell gondolni, mint egy többrétegű könyvespolcra, ahol a lítiumionok gyorsan mozognak az egyes polcokon, és minden alkalommal visszamennek a legfelső polcra. Évek múltán a könyvespolc természetesen elkezd tönkremenni és összeomlani. Amikor tehát a Menghez hasonló vegyészek szétszednek egy Li-akkumulátort, a szerkezetben és az anyagokban ilyen jellegű romlást látnak.

"Valójában meg tudjuk találni a mechanizmusokat, és akár hővel, akár valamilyen kémiai kezelési módszerrel ismét össze tudjuk rakni a könyvespolcot" – mondja Meng. "Így ezeket az újrahasznosított és felújított anyagokat visszaengedhetjük a futószalaghoz a gyárakba, hogy új akkumulátorokat készítsenek belőlük."

A Li-akkumulátorok újrahasznosításának javítása és végső soron az alkatrészeik újrafelhasználhatóvá tétele újra értéket ad a már forgalomban lévő Li-akkumulátoroknak. Ezért támogatják a tudósok a Meng által leírt közvetlen újrahasznosítási folyamatot, mert az a Li-akkumulátorok legértékesebb részeinek új életet adhat. Ez jelentősen ellensúlyozhatja a gyártásukkal járó energiát, hulladékot és költségeket.

A Li-akkumulátorok szétszerelése azonban jelenleg túlnyomórészt kézzel, laboratóriumi körülmények között történik, és ezen változtatni kell, ha a közvetlen újrahasznosítás versenyre kíván kelni a hagyományosabb újrahasznosítási módszerekkel. "A jövőben több technológiára lesz szükség a szétszerelésben" – mondja Abbott. "Ha egy akkumulátort robotok segítségével szerelnek össze, akkor logikus, hogy ugyanígy kell szétszerelni is."

Abbott csapata az angliai Faraday Intézetben a Li-akkumulátorok robotizált szétszerelését vizsgálja. A csapat megtalálta a módját annak is, hogy az anód és a katód közvetlen újrahasznosítását ultrahangos szondával valósítsák meg, "mint amilyet a fogorvos használ a fogak tisztítására" – magyarázza. "Ultrahangot fókuszál egy felületre, amely apró buborékokat hoz létre, amelyek kipukkadnak és ledobják a bevonatot a felületről". Ezzel az eljárással elkerülhető, hogy az akkumulátor alkatrészeit fel kelljen darabolni, ami rendkívül megnehezítheti a hasznosításukat.

Abbott csapatának kutatásai szerint ez az ultrahangos újrahasznosítási módszer ugyanazon idő alatt 100-szor több anyagot képes feldolgozni, mint a hagyományosabb vízzel történő hidrometallurgiai módszer. Elmondása szerint ez kevesebb mint feleannyiért is elvégezhető, mintha új akkumulátort készítenének új anyagból.

Lebomló akkumulátorok

Egyes tudósok azt szorgalmazzák, hogy a Li-akkumulátorok helyett olyanokat válasszunk, amelyeket környezetbarátabb módon lehet előállítani és lebomlóvá tenni. Jodie Lutkenhaus, a Texas A&M Egyetem vegyészmérnöki professzora olyan akkumulátoron dolgozik, amely lebomló szerves anyagokból készül.

"Manapság sok akkumulátort nem hasznosítanak újra a magas energia- és munkaköltségek miatt" – mondja Lutkenhaus. "A lebomló akkumulátorok leegyszerűsíthetik vagy csökkenthetik az újrahasznosítás akadályait. Ezeket a lebomló termékeket vissza lehetne állítani egy friss, új akkumulátorba, így zárva az anyag életciklus körforgását."

Ez egy jogos érv, figyelembe véve, hogy még akkor is, ha egy Li-akkumulátort szétszerelnek és alkatrészeit felújítják, lesznek olyan részek, amelyeket nem lehet megmenteni, és hulladékká válnak. Egy lebomló akkumulátor, mint amin Lutkenhaus csapata dolgozik, fenntarthatóbb energiaforrást jelenthetne.

A lebomló akkumulátor előtt azonban még számos kihívás áll. Az előállításához szükséges anyagok drágák, és egyelőre még nem tud olyan mennyiségű energiát biztosítani, amennyire az elektromos autóknak és az elektromos hálózatoknak szükségük van. De talán a legnagyobb kihívás, amellyel a Lutkenhaus-féle lebomló akkumulátoroknak szembe kell nézniük, az a már jól bevált Li-akkumulátorokkal való verseny.

De még ha nehéz küzdelem is vár rájuk, a fenntarthatóbb akkumulátorok lassan, de biztosan megjelennek. "Már látjuk, hogy olyan konstrukciók jelennek meg a piacon, amelyek megkönnyítik az összeszerelést és a szétszerelést, és valószínű, hogy ez fontos téma lesz a jövőbeli akkumulátorfejlesztés során" – mondja Abbott.

A gyártási oldalon az akkumulátor- és autógyártók azon dolgoznak, hogy csökkentsék a Li-akkumulátorok gyártásához szükséges anyagok mennyiségét, hogy csökkentsék a bányászat során felhasznált energiát és az egyes akkumulátorok életciklusuk végén keletkező hulladékot.

Az elektromos autógyártók is elkezdték újrafelhasználni és újrahasznosítani a saját akkumulátoraikat számos különböző módon. A Nissan például felújítja a Leaf autó régi akkumulátorait, és azokat automatizált irányított járművekben helyezi el, amelyek alkatrészeket szállítanak a gyáraiba.

Az akkumulátorok új élete

Az új akkumulátorok kifejlesztése, amelyek vetekedhetnek a Li-akkumulátorokkal, valószínűleg felrázza az iparágat is, mivel egészséges versenyt teremt. "Úgy gondolom, hogy a világnak jobbat tesz, ha diverzifikáljuk az akkumulátortárolók portfólióját, különösen a hálózati tárolás tekintetében" – mondja Meng.

A kevésbé bonyolult, biztonságosabb akkumulátorok megjelenése, amelyek előállítása olcsóbb és élettartamuk végén könnyebben szétválaszthatók, végső soron az elektromos autók jelenlegi fenntarthatósági problémájára adhat választ. Amíg azonban egy ilyen akkumulátor nem jelenik meg, addig a Li-akkumulátorok újrahasznosításának szabványosítása jelentős lépés a helyes irányba.

És 2025 körül, amikor az elektromos járművek akkumulátorainak milliói elérik kezdeti életciklusuk végét, az optimalizált újrahasznosítási folyamat sokkal vonzóbbnak fog tűnni a gazdaságok számára világszerte. Így talán mire az elektromos járművek a közlekedés uralkodó formájává válnak, jó esély lesz arra, hogy az akkumulátorok új életre kelhetnek.

Fotó: Unsplash

 

 

 

  NRGreport
Bejegyzés megosztása
Ajánlott cikkek
Iratkozz fel hírlevelünkre!
©2022 NRGREPORT, Minden jog fenntartva.