Brak ich właściwego zagospodarowania zwiększa zagrożenie dla ludzi oraz środowiska w związku ze szkodliwością materiałów, z których są wykonane. Poza tym marnowane są wówczas ogromne ilości surowców, które można by wykorzystać ponownie do produkcji nowych akumulatorów.
Rosnące zapotrzebowanie na akumulatory litowo-jonowe napędza popyt na materiały używane do ich produkcji, jak lit, kobalt i nikiel. Spowodowane tym wąskie gardła w ich podaży oraz wpływ niedoborów na ich ceny to wyzwania, z którymi muszą się liczyć producenci ogniw. W związku z tym kładziony jest coraz większy nacisk na odzysk surowców poprzez recykling akumulatorów, które zostały wycofane z eksploatacji. Dostępność materiałów z tego źródła zwiększa ich podaż, co ostatecznie przyczynia się do ustabilizowania ich rynku. To skraca czas dostaw i zmniejsza wahania cen.
Poza tym recykling pozwala na osiągnięcie korzyści środowiskowych poprzez ograniczenie wydobycia i obróbki surowców i w konsekwencji zmniejszenie towarzyszącej tym procesom emisji CO2. Przykładowo emisja gazów cieplarnianych w całym cyklu życia kluczowego surowca do produkcji katod w akumulatorach, jakim jest wodorotlenek litu (LiOH), w przypadku poddania go recyklingowi wynosi typowo kilka kilogramów ekwiwalentu dwutlenku węgla w przeliczeniu na 1 kilogram tego związku chemicznego. To oznacza spadek o ponad 30% oraz 70% w porównaniu z produkcją LiOH odpowiednio z solanki oraz rudy. Emisje zanieczyszczeń powietrza, takich jak NOx, SOx i PM10, podobnie jak zużycie wody, typowo udaje się ograniczyć wówczas nawet aż o 80%.
IDTechEx przewiduje, że do 2043 roku procesom mającym na celu odzysk surowców zostanie poddanych prawie 24 mln ton akumulatorów litowo-jonowych. Przełoży się to na rekordowy wzrost tego rynku, o średnio 17% rocznie w ciągu najbliższych dwudziestu lat, aż do 2045 roku, kiedy jego globalna wartość sięgnie 52 mld dol.
Recykling
Proces recyklingu rozpoczyna zbiórka zużytych akumulatorów litowo-jonowych. Następnie są sortowane według typu. By zapobiec zwarciom i zapłonowi muszą zostać rozładowane – w tym celu są zwykle zanurzane w roztworze soli. Kolejny etap to dezaktywacja niebezpiecznych substancji, takich jak resztkowe elektrolity, na przykład przez zamrażanie w ciekłym azocie. Następnie obudowa jest rozcinana w celu uzyskania dostępu do warstw wewnętrznych. Oddzielone materiały katody, anody i separatora są suszone w piecu w celu usunięcia resztkowej wilgoci. Ich wstępna obróbka obejmuje kruszenie lub rozdrabnianie w kontrolowanych warunkach w celu uzyskania tzw. czarnej masy, czyli mieszaniny materiałów aktywnych. By odzyskać surowce użyte do produkcji akumulatorów wykorzystuje się różne metody. Popularne są zwłaszcza pirometalurgia i hydrometalurgia.
Pirometalurgia polega na wytapianiu w wysokiej temperaturze. Czarna masa jest wprowadzana do pieców nagrzewanych do temperatury ponad +1000ºC, często z dodatkiem reduktorów, takich jak węgiel. Metale tworzą stopy, na przykład CoNiCu, z kolei lit i aluminium formują żużel. Gazy są wychwytywane, aby zapobiec emisjom. W kolejnym kroku oddziela się stopy przez ługowanie lub elektrolizę. Ta metoda jest skuteczna, ale bardzo energochłonna.
Kluczowe etapy w hydrometalurgii to natomiast: ługowanie kwasem w celu rozpuszczenia substancji czynnych, usunięcie Fe i Al przez strącanie, ekstrakcja rozpuszczalnikowa w celu oddzielenia Co/Ni i elektroliza lub krystalizacja pozwalające na odzyskanie metali bazowych. Zaletą tej metody jest wysoka czystość odzyskanych surowców, a wadą duża ilość ścieków.
Na popularności zyskuje też recykling bezpośredni. Polega on na wyjęciu ze zużytego akumulatora katody i anody. Po ich oczyszczeniu materiały aktywne są poddawane regeneracji. To pozwala na ponowne zamontowanie katody i anody w nowym ogniwie. Ta metoda zapewnia znaczące oszczędności energii i środków chemicznych w porównaniu z pirometalurgią i hydrometalurgią. Generalnie, niezależnie od metody recyklingu, głównym wyzwaniem wciąż jest ich skalowanie w celu zaspokojenia obecnego i przyszłego zapotrzebowania na akumulatory.
Kooperacje
Rynek stopniowo przygotowuje się na wzrost liczby zużytych akumulatorów litowo-jonowych. Przedsiębiorstw, które specjalizują się w ich recyklingu przybywa. Co więcej, powstają też spółki joint venture między firmami zajmującymi się odzyskiem, a producentami akumulatorów. Ponieważ jak na razie większość surowców do recyklingu pochodzi ze złomu poprodukcyjnego, ci drudzy w ramach tych partnerstw będą dostarczać go tym pierwszym, w zamian pozyskując od nich materiały do produkcji nowych akumulatorów. Część cennych surowców uda się dzięki temu utrzymać w obiegu zamkniętym, zmniejszając zależność producentów od dostępności materiałów z wydobycia. Firmy recyklingowe zaczęły również strategicznie lokalizować swoje zakłady w sąsiedztwie zakładów produkujących ogniwa, co pozwala obniżyć koszty transportu. Zawierają oprócz tego umowy z podmiotami zajmującymi się logistyką zbiórki zużytych akumulatorów, dostawcami chemikaliów i dostawcami akumulatorów używanych.
Przepisy
Większość akumulatorów z elektroniki użytkowej nie jest obecnie poddawana recyklingowi ze względu na trudności w ich odbiorze. Łatwiej jest tworzyć sieci zbiórki akumulatorów pojazdów elektrycznych, przede wszystkim dzięki temu, że lokalne przepisy nakładają zwykle na producentów OEM obowiązek ich odbierania. W najbliższych latach wzrost popytu na auta elektryczne sprawi, że akumulatory z tego źródła będę dominować na rynku recyklingu, chociaż złom poprodukcyjny nadal będzie stanowił stosunkowo duże źródło surowców wtórnych. Z czasem może się to zmieniać, ponieważ w różnych częściach świata, na przykład w Unii Europejskiej czy w Indiach, zaostrzane są regulacje dotyczące wskaźników zbiórki baterii litowo-jonowych, efektywności odzysku materiałów oraz minimalnej wymaganej zawartości materiałów pochodzących z odzysku w nowych bateriach. Wprowadzanie tego typu przepisów będzie stymulować rynek recyklingu.
Zachęty
Ważne są także różnego rodzaju zachęty. Przykładowo, jeżeli 40% minerałów do produkcji ogniw zostało odzyskanych przez firmy recyklingowe zlokalizowane w USA, producenci akumulatorów do pojazdów elektrycznych z tego kraju są uprawnieni do ulgi podatkowej. Sprzyja to budowaniu strategicznych relacji pomiędzy nimi, a rodzinnymi firmami zajmującymi się odzyskiem surowców ze zużytych akumulatorów. Jest to ważne, ponieważ w porównaniu z innymi regionami świata, w Stanach Zjednoczonych działa mniej dużych firm prowadzących działalność w tej branży.
Najwięcej w tym kraju jest przedsiębiorstw, które specjalizują się w produkcji czarnej masy, która jednak wymaga dalszego przetwarzania. Jednocześnie wiele projektów budowy w USA zakładów recyklingu hydrometalurgicznego na skalę komercyjną jest już planowanych. Znaczna część czarnej masy produkowanej w procesie recyklingu mechanicznego na rynkach północnoamerykańskich, jak i europejskim, trafia mimo to wciąż do zakładów przetwórstwa zlokalizowanych w regionie Azji i Pacyfiku. Dlatego, w związku z ogólną sytuacją geopolityczną, w krajach zachodnich dąży się do zwiększenia mocy przerobowych w zakresie hydrometalurgii na skalę komercyjną, aby zapobiec wywożeniu materiałów krytycznych z tych regionów.
Odzysk czy drugie życie?
Kolejnym problemem jest brak standaryzacji konstrukcji akumulatorów. Przez to ich demontaż jest złożoną procedurą, która wymaga wykwalifikowanej siły roboczej do bezpiecznego wykonania. Wiele dyskutuje się także na temat praktyki dawania tzw. drugiego życia (second life) zużytym akumulatorom. Polega ona na ponownym wykorzystaniu wycofanych z eksploatacji akumulatorów, co pozwala uniknąć marnowania resztek energii, która w razie ich oddania do recyklingu musi zostać rozładowana przed rozpoczęciem demontażu. Zamiast tego można by ją spożytkować na przykład w magazynach energii. Akumulatory, które można by w ten sposób wykorzystać muszą jednak spełniać określone warunki. Kluczowy jest ich stan techniczny w momencie wycofania z eksploatacji. W przypadku oceny pod tym kątem bardzo dużej liczby na przykład akumulatorów z pojazdów elektrycznych analizowanie ich historii użytkowania oraz parametrów staje się prawdziwym wyzwaniem organizacyjnym. Mimo to, generalnie takie podejście pozwoliłoby znacząco zwiększyć wartość akumulatorów, choć zarazem opóźniłoby recykling, który ostatecznie i tak byłby jednak konieczny.
Monika Jaworowska
