Акумулятори зомбі. Вже не живі, але і не мертві

Мобільні пристрої, комп’ютери, електроінструменти, автомобілі та електронні сигарети мають елементи живлення, які використовують літій-іонну технологію. Батареї це невіддільна частина майже у всіх галузях сучасної промисловості.

Відповідно до прогнозів Bloomberg NEF до середини десятиліття, попит на літій зросте втричі у порівнянні із рівнем поточного року, а в Китаї ціни на нього вже досягли нового рекорду. Це говорить нам, що мобільних пристроїв, транспортних засобів, акумуляторних джерел зберігання та розподілу енергії стане ще більше.

Значну частку у цьому ланцюгу займають автовиробники. BMW AG, General Motors Co, Volvo та багато інших компаній, заявили, що планують поступово відмовитися від двигунів внутрішнього згоряння і аналітики галузі прогнозують, що до 2030 року кількість EV (Electric Vehicles) на дорогах буде вимірюватись сотнями мільйонів. Для порівняння, в Україні, навіть, попри війну кількість електричних транспортних засобів зросла на 229% з кінця 2021 року (за даними Auto-Consulting).

Сьогодні EV не є рідкістю, але багато власників ще не до кінця усвідомлюють, що акумулятор має обмежений строк використання і це не звичайна пальчикова батарейка, яку можна залишити у спеціально відведеному боксі. Ще 7-8 років, можливо трохи, але не суттєво більше, і сотні тисяч акумуляторів автомобілів, які використовуються сьогодні, почнуть досягати кінця терміну експлуатації.

Багато громадян свідомо прагнуть бути відповідальними у питаннях утилізації відпрацьованих акумуляторів, але навіть правильна утилізація лише зменшує ризик, а не розв'язує питання. Одним із головних напрямків нашої роботи – є дослідження та створення технології, яка дозволить відновлювати катодні та анодні матеріали у використаних батареях, відновлювати та покращувати їх базові характеристики до 100% рівня. Тож доцільним буде розглянути проблеми із якими зіштовхується світ у галузі переробки відпрацьованих батарей.

Що таке акумуляторна батарея і коли починаються проблеми

Акумуляторна батарея — це складна інженерія та електрохімія. Існує три найбільш поширених типи, які зазвичай визначаються металами в катоді: нікель-кобальт-алюміній (NCA), залізо-фосфат (LFM) і нікель-марганець-кобальт (NMC). Усередині кожної комірки іони рухаються крізь електроліт між графітовим анодом і шаром катоду, що складається з оксиду металу. Ці процеси перетворюють літій в енергію, яка рухає авто на сотні кілометрів.

Шум відсутній, відсутні викиди, комфортне, спокійне, екологічне пересування. Проте, коли термін роботи акумуляторної батареї спливає, екологічні переваги зникають та перетворюються на реальну загрозу. Потрапивши на звалище, компоненти батареї виділяють токсичні речовини та важки метали, які потрапляють у навколишнє середовище. І хоча літій-іонні акумулятори демонструють стабільність при вірному використанні, найменше відхил від норми – втручання у комірку батареї або деформація – це реальна небезпека, коротке замикання, спалах, вивільнення отруйних газів. Батарея буквально перетворюється на зомбі. Живе, корисне та надійне стає токсичним, отруйним і загалом небезпечним.

“Я спокійна, якщо мене не чіпати” - (с) Літієва батарея

Ремарка.

У Великобританії за даними ESA (Environmental Services Association) офіційно фіксують щонайменше 200 пожеж щорічно спричинених батареями та зазначають, що кількість може бути в тричі більша.

Південна Корея, масштабна пожежа, в центрі обробки даних, на кілька днів вивела з ладу широкий спектр ключових цифрових послуг — банкінг, спільне використання поїздок і онлайн-доставку, по всій країні. Це взаємопов’язані події, Корея вважається ключовим світовим постачальником літій-іонних елементів, що використовуються в електромобілях (три південнокорейські компанії — LG Energy Solution Ltd., SK On Co. Samsung SDI Co. —належать до провідних світових постачальників акумуляторів). Причинами стали невірна утилізація, та втручання у конструкцію акумуляторів.

Уряд та експерти

Дослідники та експерти у сфері переробки підкреслюють, що сучасні батареї для електромобілів погано або зовсім не призначені для переробки. Одна із причин полягає в тому, що конструкцію скріплюють міцними клейовими сполуками, через які процес розборки значно ускладняється. Це тривожна ознака, але саме вона спонукає шукати рішення, яке допоможе переробляти та відновлювати десятки мільйонів акумуляторів, які вже зовсім скоро з’являться на ринку.

До ситуації долучаються уряди провідних держав; Китай, США, ЄС та інші намагаються стимулювати повторне використання компонентів батареї електромобілів. Але втручання на державному рівні не полегшує задачу. Батареї сильно відрізняються за хімічним складом і конструкцією, що ускладнює створення ефективних систем переробки.

Компанії переробники. Сухі факти

Безумовним лідером у переробці є Китай, який переробляє більше літій-іонних акумуляторів, ніж решта світу разом.

Переробники орієнтуються на метали в катоді, такі, як кобальт і нікель, бо вони мають високу ціну, але їх над мала кількість робить процес переробки та відновлення складним та енерговитратним. В цей же час відновлення літію і графіту не є економічно вигідною через умовно низьку вартість цих компонентів. Виробникам акумуляторів у деяких випадках дешевше купувати щойно видобуті метали, ніж використовувати перероблені. Але копалини – це невідновлювальний ресурс, тож зовсім відкидати необхідність переробки не є гарним варіантом.

Зараз у світі використовують два методи переробки відпрацьованих літієвих батарей: пірометалургія та гідрометалургія. Пірометалургія є більш поширеною. Переробник механічно подрібнює матеріал, а потім випалюють пластик та клей, щоб дістатися до металів. Гідрометалургія, передбачає використання кислоти, утворюючи насичений металами розчин. Іноді обидва методи комбінують. Тобто, переробник має відновити кожен із хімічних елементів – витягнути кожен окремо. Довго, брудно, небезпечно.

Обидва процеси утворюють велику кількість небезпечних відходів і парникових газів, а переважна більшість прибутку – це продаж видобутого кобальту, яка ставить бізнес-модель у певну залежність.

Ідеальний варіант!?

Ідеальним варіантом називають пряму переробку. Мається на увазі, що конструкція батареї дозволить зберігати катодну суміш недоторканою після розборки. Але не всі виробники маркують батареї, переробник не завжди знає, з яким елементом має справу, і чи мають катодні метали якусь цінність. Важливо слідкувати за швидкістю розвитку технологій, цілком імовірно, що виготовлені сьогодні катоди не матимуть попиту у найближчому майбутньому. Наприклад, в жовтні цього року ми анонсували створення лабораторного прототипу літій-сірчаної батареї. Ця технологія має змінити гру у сфері виготовлення акумуляторних батарей. Звичайно попереду ще багато роботи, ми в пошуках інвестицій, але факт залишається фактом: літій-сірка – це найближче майбутнє.

Наступна складність полягає в тому, що розібрати батареї електромобілів не так вже і легко. Наприклад батарея Leaf від Nissan має прямокутну форму і для того, щоб її розібрати знадобиться, щонайменше 2 години і це лише час на одну батарею. Далі, комірки Tesla, мають унікальну циліндричну форму І з’єднані майже непорушним поліуретановим цементом, який утримує їх разом. Розчинник, який використовували до минулого року (для розчинення зв’язуючих катодів), був настільки токсичний, що ЄС запровадив обмеження на його використання а в Агентстві з охорони навколишнього середовища США визначили, що він становить “необґрунтований ризик” для працівників.

Надія є

Ситуація може змінитися, якщо виробники почнуть виготовляти батареї з урахуванням переробки. Наприклад, після того, як Китай поклав на виробників електромобілів відповідальність за переробку акумуляторів. На ринку з’явилася літій-ферофосфатна батарея Blade Battery від концерну BYD (китайський виробник електромобілів). Конструкція дозволяє позбутися модульного компонента, натомість зберігаючи плоскі комірки безпосередньо всередині. Комірки можна легко видалити вручну, без боротьби з дротами та клеєм.

Українське рішення

Технологія над якою ми працюємо дозволяє відновлювати катодну та анодну маси без необхідності витоплювати або відновлювати метали із кислотного розчину. Тобто, зазвичай, після переробки виробники мають знову створювати катоди та аноди змішуючи хімічні компоненти. Наш підхід дозволить позбутися розкладання складових батареї на прості хімічні сполуки та значно скоротити процес.

Запропонований метод протестовано використовуючи літій-ферофосфатні батареї (LFP батареї найбільш поширені у транспортній галузі). Результат довів імовірність 100% відновлення такої батареї. Якщо провідні експерти шукають нові екологічно чисті способи переробки чорної маси з літій-іонних акумуляторів то наша технологія вже підтверджує, можливість досягти потенційно значно вищих та швидших результатів ніж за допомогою методів, які використовуються зараз.

Важливо зазначити, що постачання ключових металів для акумуляторів, контролюються однією або декількома країнами. Продовження досліджень, масштабування та комерціалізація наших здобутків дозволить країні підвищити економічну та національну безпеку. Місце для утилізації акумуляторів електромобілів, управління та транспортування потенційно небезпечних відходів до місця переробки, необхідність замовляти нові компоненти батарей, залежність від постачальників та світових цін на видобуті метали. Це лише декілька факторів, яких ми цілком реально зможемо позбутися.  Все над чим ми працюємо зараз матиме реальний економічний ефект у найближчому майбутньому. Це не популістські лозунги, а цілком відповідальна заява.

Уряди провідних країн, приватні компанії та венчурні фонди вкладають великі гроші у дослідницькі ініціативи не менш охоче ніж у комерційні. Попри складну ситуацію в нашій країні вчені не припиняють роботу. Оскільки індустрія електромобілів набирає обертів, потреба в інноваціях стала дуже гострою. Попри всі складнощі та обмеження наша мотивація є дуже високою.

Скептики не можуть повірити, що українська наука жива та цілком конкурентоспроможна. Стабільна, структурована інвестиційна підтримка, значно прискорить прогрес в нашій роботі, (саме для цього ми відкрили додатковий раунд інвестицій). Ситуація залишається складною, через те, що багато потенційних інвесторів бачать надвисокий ризик у тому, що ми та наші лабораторії знаходяться в Україні. Але, складнощі, перешкоди, розв'язання складних задач та подолання криз – це неодмінна  частина життя, завдяки яким людина зростає та стає краще.