Teknologiaren aurrerapenarekin eta bizi-mailaren hobekuntzarekin, bateriak ezinbesteko energia biltegiratzeko gailu bihurtu dira, eta oso erabiliak dira mugikorreko ekipo elektronikoetan, ibilgailu elektrikoak, eta energia berriztagarrien biltegiratze bateria sistemakHala ere, haien bizitza erabilgarri mugatua dela eta, erabilitako bateriak eskala handian sortzeak mehatxu larria dakar ingurumenarentzat. Hondakin-bateriek metal astunak eta substantzia kimiko arriskutsuak dituzte, eta, behar bezala tratatzen ez badira, epe luzerako kutsadura ekologikoa eragin dezakete, gizakien osasuna arriskuan jar dezakete eta litioa, kobaltoa eta nikela bezalako metal-baliabide baliotsuak galtzea eragin dezakete. Beraz, ingurumenaren babesaren eta baliabideen erabileraren ikuspegitik, erabilitako bateriak modu eraginkorrean tratatzea eta birziklatzea oso garrantzitsuak dira baliabideen zirkulartasuna eta garapen jasangarria lortzeko.
Baterien aplikazioak eta merkatuaren hazkundea
Azken 200 urteotan gutxi gorabehera, bateriak energia biltegiratzeko gailu ezinbesteko gisa balio izan dute, elektronika eramangarrietan, ibilgailu elektrikoetan eta beste hainbat arlotan asko erabiliak izan dira, kostu baxua, segurtasuna eta egonkortasuna, bihurketa-eraginkortasun handia eta ingurumenerako egokitzapen ona direla eta [1]. Hala ere, kontsumoaren hobekuntzen erritmo azkarrarekin eta ibilgailu elektrikoen eskaria etengabe hazten ari denez, kalkulatzen da 2024ko urtarriletik ekainera bitarteko aldian, barneko eta nazioarteko merkatuek 318.1 GWh, 84.5 GWh eta 23 GWh salduko dituztela, hurrenez hurren. Energia berriko ibilgailuen ekoizpenak eta salmentak 4.929 milioi unitatera iritsi ziren, hau da, % 30.1eko eta % 32.0ko urte arteko hazkundea, hurrenez hurren, Txinako ibilgailu elektrikoen esportazioak 1.0849 milioi unitate izan ziren, aurreko urteko aldi berarekin alderatuta % 36.9ko igoera.
Bateriaren iraupena eta hondakinen sorrera
Gainera, datuek erakusten dute berun-azido bateriek 2-3 urteko iraupena dutela, nikel-metal hidruro bateriek 3-5 urtekoa eta litio-ioizko bateriek 2-6 urtekoa. Iraupen labur honek bateria gastatu kopuru handia sortzea ekarri du. Txinako Enpresa Industria Ikerketa Institutuaren iragarpenen arabera, erretiratutako bateria kopurua litio ioizko bateriak Txinan 1.04 milioi tonakoa izango da 2025erako eta 3.5 milioi tonaraino igoko da 2030erako. Gainera, kalkulatzen da Txinan bateria birziklatzeko merkatuaren tamaina 140 milioi RMB ingurukoa izango dela 2030erako, 2022an baino bederatzi aldiz handiagoa gutxi gorabehera.
Birziklapenaren eta merkatuaren araudiaren erronkak
Hala ere, estandar zaharkituen, enpresa kualifikatu kopuru mugatuaren eta gainbegiratze eskasaren ondorioz, erabilitako baterien zati handi bat tailer txikietan amaitzen da, segurtasun arrisku handiak sortuz eta Txinako baterien birziklapen merkatuaren garapen estandarizatua larriki oztopatuz. 2023rako, energia berriko ibilgailuen baterien birziklapen tasa estandarizatua Txinan % 25etik beherakoa zen, erabilitako baterien % 70 baino gehiago birziklapen bide ilegaletan sartzen zirelarik. 2018an, Txinan erretiratutako baterien kopuru osoa 74,000 tonakoa izan zen, eta horietatik 5,472 tona baino ez ziren behar bezala birziklatu, erretiratutako baterien % 7.4 baino ez, aurreikusitako balioen oso azpitik.
Ingurumen eta Osasun Arriskuak
Erabilitako baterietako elektrodo-materialen eta elektrolitoen tratamendu desegokiak ingurumen-kutsadura larria eragin dezake, nikela, kobaltoa eta manganesoa bezalako ioi metalikoak eta beste konposatu organiko batzuk askatzen direlako, eta horrek arriskuak sor ditzake gizakien osasunerako. Aldi berean, material hauek balio ekonomiko handia dute. Birziklapen egokirik gabe, baliabide baliotsuak alferrik galduko lirateke ez ezik, Txinak burdin-mearengan duen menpekotasuna ere handituko litzateke, eta horrek energia-segurtasun nazionala eragin dezake.
Baliabideen Balioa eta Garrantzi Estrategikoa
Adibidez, katodo-materialetan kobalto, litio eta nikel edukia nabarmen handiagoa da mea naturaletan duten kontzentrazioak baino, % 5-% 20, % 5-% 7 eta % 5-% 10 ingurura iritsiz, hurrenez hurren, eta kobrea, aluminioa eta burdina bezalako oligoelementuak ere badituzte. Litio baliabideek banaketa geopolitiko argiak erakusten dituzte, eta birziklatzeak atzerriko hornidurarekiko mendekotasuna murriztu dezake, baliabideen segurtasun nazionala hobetuz. Metal baliotsuak erabilietatik berreskuratzeko modu eraginkorra litio-ioizko bateriak ez ditu onura ekonomiko handiak sortzen bakarrik, baita garrantzi geopolitiko garrantzitsua ere.
Berrikuspen honek bateria motak, sistema elektrokimikoak eta haien funtzionamendu-printzipioak laburbiltzen ditu. XIX. mende hasierako baterien diseinuen analisi konparatiboa eskaintzen du, hala nola zink-karbono eta berun-azido baterien, eta bateria-teknologia modernoen analisi konparatiboa eskaintzen du, nikel-metal hidruro (NiMH) eta balbula bidez erregulatutako berun-azido (VRLA) baterien barne, haien erreakzio-mekanismoetan, abantailak eta desabantailetan eta aplikagarri diren eremuetan arreta jarriz, 1. taulan zehazten den bezala. Berrikuspenak azpimarratzen du etorkizuneko baterien teknologiak bizitza-iraupen luzeagoetarako, kostu txikiagoetarako eta ingurumen-errendimendu hobea lortzeko optimizatzen jarraituko dutela, etxebizitza, industria eta aeroespazio aplikazioen eskaera anitzak asetzeko.
Baterien gehiengo zabalaren oinarrizko egiturak katodo bat, anodo bat, elektrolito bat, bereizgailu bat eta karkasa bat izaten ditu normalean. Hartuz litio-ioizko bateriak adibide gisa konposizioari dagokionez: katodoaren materialak normalean balentzia handiko metalak ditu, anodoaren materialak, berriz, batez ere karbono-oinarritutako materialez osatuta dago, hala nola grafitoa, material metalikoak edo siliziozko materialak, eta ohikoenak karbono-oinarritutako materialak dira. Adibidez, bateria alkalinoetan eta zink-karbono baterietan, anodoa batez ere zink metalikoz osatuta dago, eta manganeso dioxidoak katodo gisa balio du.
Gaur egun, erabiltzen diren elektrolitoak batez ere elektrolito likidoak (adibidez, litio hexafluorofosfatoa) eta elektrolito solidoak (adibidez, oxidoak, sulfuroak, polimeroak, etab.) dira. Lehenengoak eroankortasun ioniko handiagoa eskaintzen du, eta bigarrenak, berriz, segurtasun-errendimendu hobea. Baterien bereizgailuak, normalean polietilenoz (PE) edo polipropilenoz (PP) egindakoak, geruza bakarreko PE edo PP mintz gisa edo hiru geruzako PP/PE mintz gisa sailka daitezke. Karkasaren materialak, oro har, metalez edo material konposatuz osatuta daude.
Erabilitako baterien arriskuak
Birziklatu gabeko bateria erabiliek ingurumen- eta osasun-arrisku handiak dakartzate. Baterien lixibiatuetan dauden metal astunek eta substantzia toxikoek lurzorua eta ur-bideak kutsa ditzakete, ekosistema naturala nahastuz. Kutsatzaile hauek pixkanaka pilatu daitezke lurrean eta laboreetan, azkenean giza gorputzean sartuz eta osasun-mehatxu potentzialak sortuz. Baterien kutsatzaile emergenteak ere sakonki aztertu dira —hala nola, nanoegitura metalikoak, karbono-oinarritutako materialak eta likido ionikoak—. Material hauek baterien errendimendua hobetu dezaketen arren, ingurumen-arrisku larriak ere sor ditzakete. Adibidez, nanoegitura metalikoek biltegiratze-ahalmena eta energia-eraginkortasuna hobetu ditzakete, baina metatu egiten dira, eta horrek errendimenduaren degradazioa dakar. Karbono-oinarritutako materialek, hala nola grafenoak eta karbono-nanotuboek, eragin toxikoak izan ditzakete uretako ekosistemetan. Likido ionikoak lurzoruan eta uretan pilatu daitezke, eta efektu zitoxikoak sortuz mikroorganismoengan.
Gainera, ekotoxikologia-ikerketa nahikorik ez dagoelako, birziklatze-teknologia mugatuak direla eta eta araudi-hutsuneak daudelako, bateria-material berriekin lotutako ingurumen-arriskuek arreta handiagoa behar dute.
Grafenoan oinarritutako materialen (GFM) aurkikuntzak kezka sortu du haien eragin ekologikoari buruz, batez ere uretako organismoengan duten efektu toxikoari buruz. Ikerketek erakutsi dute GFMek toxikotasuna dutela bakterioentzat, algentzat, ornogabeentzat eta arrainentzat, eta horrek kalte egiten die haien biziraupenean, hazkuntzan eta ugalketan. Adibidez, grafeno oxidoak (GO) algen hazkuntza inhibi dezake eta estres oxidatiboa eragin dezake, zelulen kalteak eraginez. GFMen egonkortasuna eta mugikortasuna uretako inguruneetan haien propietate fisiko-kimiko intrintsekoek eta uraren parametro fisiko-kimikoek eragiten dituzte. Uretan duten portaerak, hala nola adsorzioak eta agregazioak, haien banaketa eta azken patua alda ditzake uretako sistemetan.
Gaur egun, GFM-en ingurumen-segurtasunerako jarraibideak osatu gabeak dira, eta probak egiteko metodo estandarizatuak falta dira. Beraz, ikerketa gehiago behar dira haien benetako ingurumen-kontzentrazioak eta epe luzeko ondorioak zehazteko, segurtasun-jarraibide eta kudeaketa-estrategia zientifikoki sendoak ezartzeko.
Hondakin Baterien Kudeaketa Irtenbideak
Erabilitako bateriak botatzeko metodo nagusiak errausketa, zabortegian botatzea eta birziklatzea dira [16]. Susana Xará eta beste batzuek baterien bizi-ziklo osoa ebaluatu zuten, kontsumitzaileak botatzen duenetik hasi eta azken tratamendura edo ingurumenean sartzeraino, Bizi-Zikloaren Ebaluazioa (BZE) metodoa erabiliz. Ikerketak aurkitu zuen zabortegietan botatzeak eragin handiena duela lurzoruaren okupazioari eta epe luzerako lurpeko uren kutsadurari dagokionez, errausketak, berriz, batez ere airearen isurietan eta baliabideen erabileran eragiten duela. Aitzitik, birziklatzeak abantaila nabarmenak eskaintzen ditu ingurumenaren babeserako eta baliabideen berreskurapenerako. Birziklatze-prozesuek, oro har, aurretratamendua, metalen lixibiazioa eta erauzketa, eta produktuaren prestaketa barne hartzen dituzte [17] (ikus 2. irudia). Aurretratamenduak deskargatzea, eskuzko desmuntaketa edo bereizketa mekanikoa, eta katodo-materialak aluminio-paperetik bereiztea barne hartzen ditu. Metodo ohikoenen artean, disolbatzailearen disoluzioa, ultrasoinuen bidezko bereizketa, tratamendu termikoa eta bereizketa mekanikoa daude.
Gaur egun, metalen lixibiazio eta erauzketa prozesuek batez ere pirometalurgia eta hidrometalurgia tradizionalak erabiltzen dituzte, baita biometalurgia teknika berriak ere (desberdintasun espezifikoak taulan laburbilduta daude). Pirometalurgiak bateria erabilien tenperatura altuko tratamendua dakar elementu metalikoak aberasteko eta prezipitatzeko. Prozesua bateriak desmuntatu eta birrintzearekin hasten da, osagai ez-metalikoak kentzeko eta elektrodo materialak lortzeko. Ondoren, elektrodo materialek errekuntza eta oxidazio urratsak barne hartzen dituzte, forma errazagoetan eraldatzeko. Tenperatura altuko tratamendua fluxuekin eta erredukzio agenteekin konbinatzen da aleazioak edo elementu metalikoak sortzeko, eta azkenik berreskuratzen dira bereizketa metodo fisiko eta kimikoen bidez.
Pirometalurgia oso eraginkorra den arren berun-azido, nikel-kadmio eta zink-manganeso bateria konplexu erabilietarako, energia asko kontsumitzen du eta ingurumena kutsatzen du. Beruna, kadmioa, zinka eta merkurioa bezalako osagaiak lurrundu edo prezipitatu egin daitezke 300-400 °C-tan, eta horrek kontu handiz maneiatu behar du. Ondorioz, pirometalurgia da metal horiek berreskuratzeko metodo nagusia.
Hidrometalurgiak disolbatzaile kimikoak erabiltzen ditu erabilitako baterietako elementu metalikoak disolbatzeko, eta ondoren bereizketa eta erauzketa egiten du teknika kimiko eta fisikoak erabiliz. Prozesua bateria desmuntatu eta xehatzearekin hasten da elektrodo-materialak lortzeko, eta ondoren, material horiek lixibiatzen dira elementu metalikoak disolbatzeko disoluzio azido edo alkalinoak erabiliz. Lortutako disoluzioak ioi-trukearen, disolbatzaileen erauzketaren edo beste metodo batzuen bidez arazten dira ezpurutasunak kentzeko. Azkenik, metal astunak hondakin-uretatik berreskuratzen dira prezipitazio eta elektrolisiaren bidez. Hidrometalurgia bereziki egokia da erabilitako nikel-metal hidruro eta litio-ioi baterietatik metal purutasun handiko berreskuratzeko, batez ere kobaltoa eta nikela bezalako metal baliotsuak berreskuratzeko. Hala ere, metodo honek gatza duten hondakin-urak sortzen ditu, tratamendua behar dutenak eta bigarren mailako kutsadura sor dezaketenak.
Biometalurgiak mikroorganismoak eta haien produktu metabolikoak erabiltzea dakar erabilitako baterien elementu metalikoak eraginkortasunez ateratzeko. Prozesuak bateria kaltetuak desmuntatzea barne hartzen du elektrodo materialak lortzeko, eta ondoren biolixibiazioa baldintza egokietan egiten da, metalak eraginkortasunez disolbatzeko medio mikrobiano espezializatuak erabiliz. Ondorengo arazketa urratsek ioien trukea eta disolbatzaileen erauzketa erabiltzen dituzte, eta metalak azkenean prezipitazio eta elektrolisiaren bidez berreskuratzen dira. Biometalurgia bereziki baliotsua da nikel eta kobalto bezalako metal baliotsuak berreskuratzeko.
