В статье рассматриваются методы утилизации автомобильных аккумуляторов нескольких типов. Предложены варианты улучшения этого процесса, как и экономической, так и с экологической точки зрения. Рассмотрены действия, которые следует предпринять сейчас, чтобы избежать осложнений для утилизации в будущем.
Ключевые слова: аккумулятор, утилизация, экологичность.
The article discusses the methods of utilization of several types of car batteries. Proposed options for improving this process, as an economic and environmental point of view. The actions that should be taken now to avoid complications for disposal in the future are considered.
Key words: battery, recycling, environmental.
Утилизация сама по себе не является чем-то хорошим или плохим [1]. Для автомобильных аккумуляторов преимущества для экологии очевидны, хотя они различаются по типу батареи и способу утилизации. Имеются также потенциальные экономические выгоды. Если пригодные для использования материалы могут быть извлечены из использованных батарей, то потребуется меньше природных невозобновляемых ресурсов. Если сырье поступает из-за рубежа, рециркуляция внутри страны уменьшает количество ресурсов, которое необходимо импортировать, улучшая платежный баланс. Кроме того, существенные отрицательные воздействия на окружающую среду могут возникать в горнодобывающих и обрабатывающих рудах (например, выбросы SOx от плавки сульфидных руд, такие как те, которые дают медь, никель и кобальт), и их можно избежать, если материалы могут быть переработаны. Утилизация имеет свои собственные экологические последствия, но они, как правило, меньше, чем у первичной продукции. Утилизация материалов позволяет избежать затрат на обработку отходов. Кроме того, некоторые отработанные батареи классифицируются как опасные отходы, увеличивая затраты на транспортировку, обработку и удаление, а также усилия, необходимые для обеспечения соответствия нормативным требованиям.
В таблице 1 приведены различия в составе по типам батарей.
Таблица 1
Сравнение материалов компонентов
|
Компонент/Тип батареи |
Свинцово-кислотный |
Литий-ионный |
|
Катод |
PbO2 |
LiMO2 |
|
Катодная пластина |
Pb |
Al |
|
Анод |
Pb |
Графит |
|
Анодная пластина |
Pb |
Cu |
|
Электролит |
H2SO4 |
Органический растворитель + LiPF6 |
|
Сепаратор |
Полиэтилен или поливинилхлорид |
Полиэтилен/ Полипропилен |
|
Корпус |
Полипропилен |
Варьируется |
Литий-ионные батареи начинают использоваться в значительных количествах автомобильных двигателей. Поскольку эти батареи, как ожидается, продлят срок службы транспортного средства, срок их полезного использования в большом количестве составляет примерно 10 лет. Впоследствии они могут использоваться как энергохранилища, но в конечном итоге их жизненный ресурс иссякнет. Вопрос в том, какие шаги могут быть предприняты для обеспечения этого ресурса отработанных литий-ионных батарей. В идеальном случае эти батареи будут отправлены на переработку и не будут экспортироваться в развивающиеся страны с менее строгими нормами охраны окружающей среды, здоровья и безопасности. Необходимы методы для безопасной и экономичной транспортировки и переработки отработанных батарей, а также для экологически безопасной переработки. Кроме того, переработанный продукт должен быть достаточно высокого качества, чтобы найти рынок по своей первоначальной цели, или он должен найти альтернативный рынок.
Утилизация свинцово-кислотных батарей очень опасно и губительно для окружающей среды [2]. Кроме того, в соответствии с техникой безопасности, батареи удаляются из транспортных средств, которые вышли из строя, перед их измельчением.
Элементы свинцово-кислотной батареи рециркулируются довольно просто. Сначала корпус батареи вскрывают, и электролит серной кислоты сливается. Пластины и разъемы удаляются из корпуса (на рис.1 изображены извлеченные пластины и корпуса). В качестве альтернативы, изношенная батарея может быть отправлена на измельчение для уменьшения размера, а пластик и свинец могут быть разделены фильтром. Восстановленный свинец (легкоплавкий металл) переплавляется и очищается для создания новых компонентов батареи. Пластмасса расплавляется и формируется в новые корпуса. Кислоту можно нейтрализовать или переработать в сульфатные соли для различных целей, таких как производство мыла.
Рис. 1. Свинцовые батареи и пластины после разборки
Утилизация выгодна, поскольку переработанный свинец (восстановленный в его простую форму и очищенный), имеет высокое качество [3]. Некоторые производители аккумуляторов предпочитают новый переработанный свинец.
Ключевой причиной успеха утилизации свинцово-кислотных аккумуляторов является то, что все производители используют одно и то же сырье: свинец, оксид свинца и серную кислоту в полипропиленовом корпусе. Поскольку конструкция аккумулятора аналогична для производителей, то для разборки аккумулятора может использоваться автоматизированная технология. Таким образом, переработка свинцово-кислотных отходов возможна, потому что это выгодно, гораздо безопаснее для экологии, разборка батареи проста из-за стандартной конструкции, а компоненты батареи не требует сегрегации.
Есть несколько факторов, которые способствуют усложнению утилизации литий-ионной батареи. Как показано в таблице 1, литий-ионные батареи имеют более широкий спектр материалов в каждой ячейке. Активные материалы находятся в форме порошка, покрытой металлической фольгой, и эти различные материалы должны быть отделены друг от друга во время рециркуляции. Свинцово-кислотные батареи имеют относительно небольшое количество больших свинцовых пластин, упакованных вместе в одном пластиковом корпусе, в то время как литий-ионная упаковка, имеет приблизительно 100 или более отдельных ячеек (около 5000 для электрического автомобиля Tesla), которые подключены модульно (см. рис. 2). Также там может находиться система управления температурой. Эти компоненты могут быть восстановлены целиком или могут содержать ценные материалы, которые могут обеспечить некоторые экономические ресурсы для утилизации аккумуляторной батареи.
Рис. 2. Модульное подключение литий-ионный аккумуляторов
Внутри ячеек химический состав активных материалов, особенно катод, варьируется в зависимости от производителя и функции батареи и никогда не может стандартизоваться [4]. Наиболее распространенным катодным материалом для батарей, которые в настоящее время преобладают в бытовой электронике, является оксид лития-кобальта (III), но различные комбинации никеля, марганца и алюминия могут использоваться для замены некоторых или всех кобальтов для оптимизации производительности при снижении стоимости сырья, что является ключевым для автомобильных аккумуляторов. Другим перспективным материалом катода, который использует очень низкие затраты, является литий-фосфат железа. Большинство изготовителей используют для анода некоторую форму графита, но также используется кремний.
Свинцово-кислотные батареи маленькие и легко удаляются, в то время как более крупные и сложные литий-ионные аккумуляторы отличаются по форме и расположению в автомобиле. В результате удаление может быть сложнее.
В настоящее время нет правил, касающихся утилизации широкоформатных литий-ионных батарей. Это условие может считаться хорошим для рециклистов, которые не будут сталкиваться с ограничениями в процессе проектирования. Однако есть значительная вероятностью того, что после этого могут быть введены ограничительные правила. Поэтому процессы должны быть спроектированы таким образом, чтобы они соответствовали предписанным правилам. Кроме того, технология аккумуляторов все еще развивается. Процессы переработки, предназначенные для конкретных моделей или химического состава, могут быстро устареть.
В идеале поиск лучших химических составов и конструкций батарей приведет к тому, что некоторые из них удовлетворят все требования, и батареи определенного типа будут сделаны как можно более однородными. Как минимум, те, которые могут быть переработаны вместе, будут иметь, по крайней мере, один отличительный компонент, который нужно утилизировать иначе (отдельно). Могут быть созданы предприятия для возврата всех батарей в конце их (первого или второго) жизненного ресурса. Возможен простой способ направить эти отработанные батареи на соответствующие объекты переработки в безопасном и законном порядке. Удобная маркировка будет способствовать соответствующей маршрутизации. Правила гарантируют безопасную транспортировку и обработку, а также препятствуют любому перекрестному загрязнению. Сортировка и маршрутизация может быть незамедлительной, через передающую станцию или в рамках единого объекта утилизации. Отдельные потоки будут обрабатываться для производства ценных высокочистых материалов, которые могут быть повторно использованы в батареях или в другом высокоценном продукте, если восстановленный материал устарел. Процесс переработки отходов должен быть полноценным. Все батареи могут быть спроектированы с учетом необходимости утилизации, избегая необратимых соединений и опасных материалов. Строгие отраслевые стандарты гарантируют, что переработанные продукты отвечают тем же самым высоким стандартам качества, что и первичные материалы, и тем самым они принимаются к повторному использованию.
Достижение такой концепции до того, как большое количество автомобильных батарей исчерпает жизненный ресурс, требует продолжения исследований и планирования в течение следующих около 10 лет. Это сложная задача, но если есть широкая приверженность со стороны промышленности и правительства, то это возможно сделать.
Литература:
- Л. Гейнс. Переработать или не перерабатывать: вот в чем вопрос — информация из анализа жизненного цикла // Общество исследований материалов. — 2012. — № 37. — С. 333–338.
- Д. Данн, Л. Гейнс, Д. Салливан. Влияние рециркуляции на энергопотребление и выбросы парниковых газов от автомобильных литий-ионных аккумуляторов // Экологическая наука и технологии. — 2012. — № 46. — С. 12704–12710.
- Информация об аккумуляторах на транспорте // Аккумуляторная Ассоциация URL: http://www.prba.org/publications/batteries-in-transport-shipping-batteries-safely/ (дата обращения: 18.09.2017).
- М. Бабиак, М. Булиш. Основы сбора и утилизации аккумуляторов: взгляд производителя // 13-й Международный семинар по переработке аккумуляторных батарей. — Форт-Лодердейл: 2009.
