Dengan kemajuan teknologi dan peningkatan taraf hidup, bateri telah menjadi peranti penyimpanan tenaga penting, digunakan secara meluas dalam peralatan elektronik mudah alih, kenderaan elektrik, dan sistem bateri simpanan tenaga boleh diperbaharui. Walau bagaimanapun, disebabkan hayat perkhidmatannya yang terhad, penjanaan besar-besaran bateri terpakai menimbulkan ancaman serius kepada alam sekitar. Bateri buangan mengandungi logam berat dan bahan kimia berbahaya, yang, jika tidak dirawat dengan betul, boleh menyebabkan pencemaran ekologi jangka panjang, membahayakan kesihatan manusia, dan mengakibatkan kehilangan sumber logam berharga seperti litium, kobalt dan nikel. Oleh itu, dari perspektif perlindungan alam sekitar dan penggunaan sumber, rawatan yang cekap dan kitar semula bateri terpakai adalah sangat penting untuk mencapai pekeliling sumber dan pembangunan mampan.
Aplikasi Bateri dan Pertumbuhan Pasaran
Sepanjang kira-kira 200 tahun yang lalu, bateri telah berfungsi sebagai peranti penyimpanan tenaga yang penting, digunakan secara meluas dalam elektronik mudah alih, kenderaan elektrik, dan pelbagai bidang lain kerana kosnya yang rendah, keselamatan dan kestabilan, kecekapan penukaran yang tinggi, dan kebolehsuaian alam sekitar yang baik [1]. Bagaimanapun, dengan kadar peningkatan penggunaan yang pantas dan permintaan yang terus meningkat untuk kenderaan elektrik, dianggarkan dalam tempoh dari Januari hingga Jun 2024, pasaran domestik dan antarabangsa masing-masing akan menjual 318.1 GWj, 84.5 GWj dan 23 GWj. Pengeluaran dan jualan kenderaan tenaga baharu mencecah 4.929 juta unit, mewakili pertumbuhan tahun ke tahun masing-masing sebanyak 30.1% dan 32.0%, manakala eksport kenderaan elektrik China berjumlah 1.0849 juta unit, meningkat 36.9% berbanding tempoh yang sama tahun lepas.
Jangka Hayat Bateri dan Penjanaan Sisa
Di samping itu, data menunjukkan bahawa bateri asid plumbum biasanya mempunyai jangka hayat 2-3 tahun, bateri hidrida nikel-logam 3-5 tahun, dan bateri litium-ion 2-6 tahun. Jangka hayat yang singkat ini telah menghasilkan penjanaan sejumlah besar bateri terpakai. Menurut ramalan dari Institut Penyelidikan Industri Perniagaan China, kuantiti bersara kuasa bateri lithium ion di China akan mencapai 1.04 juta tan menjelang 2025 dan meningkat kepada 3.5 juta tan menjelang 2030. Dianggarkan lagi bahawa saiz pasaran untuk kitar semula bateri kuasa di China akan mencecah kira-kira RMB 140 bilion menjelang 2030, kira-kira sembilan kali lebih besar daripada pada 2022.
Cabaran dalam Kitar Semula dan Peraturan Pasaran
Walau bagaimanapun, disebabkan oleh piawaian yang lapuk, bilangan perusahaan yang layak yang terhad, dan penyeliaan yang lemah, sebahagian besar bateri terpakai berakhir di bengkel kecil, menimbulkan risiko keselamatan yang ketara dan secara serius menghalang pembangunan piawai pasaran kitar semula bateri China. Menjelang 2023, kadar kitar semula piawai untuk bateri kuasa kenderaan tenaga baharu di China adalah kurang daripada 25%, dengan lebih 70% daripada bateri yang telah digunakan memasuki saluran kitar semula yang tidak sah. Pada 2018, jumlah bateri kuasa bersara di China mencecah 74,000 tan, yang mana hanya 5,472 tan dikitar semula dengan betul, menyumbang hanya 7.4% daripada jumlah bateri bersara, jauh di bawah nilai ramalan.
Risiko Alam Sekitar dan Kesihatan
Rawatan bahan elektrod dan elektrolit yang tidak betul dalam bateri terpakai boleh menyebabkan pencemaran alam sekitar yang teruk akibat pembebasan ion logam seperti nikel, kobalt dan mangan, serta sebatian organik lain, yang mungkin juga menimbulkan risiko kepada kesihatan manusia. Pada masa yang sama, bahan-bahan ini mempunyai nilai ekonomi yang ketara. Tanpa kitar semula yang betul, bukan sahaja sumber berharga akan dibazirkan, malah pergantungan China terhadap bijih besi juga akan meningkat, yang berpotensi menjejaskan keselamatan tenaga negara.
Nilai Sumber dan Kepentingan Strategik
Sebagai contoh, kandungan kobalt, litium, dan nikel dalam bahan katod adalah jauh lebih tinggi daripada kepekatannya dalam bijih semula jadi, masing-masing mencapai kira-kira 5%–20%, 5%–7%, dan 5%–10%, dan juga mengandungi unsur surih seperti kuprum, aluminium, dan besi. Sumber litium mempamerkan corak pengedaran geopolitik yang jelas, dan kitar semula boleh mengurangkan pergantungan kepada bekalan asing sambil meningkatkan keselamatan sumber negara. Pemulihan logam berharga yang cekap daripada dibelanjakan bateri lithium-ion bukan sahaja menjana manfaat ekonomi yang besar tetapi juga mempunyai kepentingan geopolitik yang penting.
Ulasan ini meringkaskan jenis bateri, sistem elektrokimia dan prinsip operasinya. Ia menyediakan analisis perbandingan reka bentuk bateri awal abad ke-19, seperti bateri zink-karbon dan asid plumbum, dan teknologi bateri moden, termasuk nickel-metal hydride (NiMH) dan bateri asid plumbum (VRLA) terkawal injap, memfokuskan pada mekanisme tindak balas, kelebihan dan kekurangannya, serta kajian semula Jadual1 yang boleh digunakan pada masa hadapan. teknologi bateri akan terus dioptimumkan ke arah jangka hayat yang lebih lama, kos yang lebih rendah dan prestasi alam sekitar yang lebih baik untuk memenuhi permintaan yang pelbagai bagi aplikasi kediaman, perindustrian dan aeroangkasa.
Struktur asas sebahagian besar bateri biasanya termasuk katod, anod, elektrolit, pemisah dan selongsong. Mengambil bateri lithium-ion sebagai contoh dari segi komposisi: bahan katod biasanya mengandungi logam valens tinggi, manakala bahan anod terutamanya terdiri daripada bahan berasaskan karbon seperti grafit, bahan logam, atau bahan silikon, dengan bahan berasaskan karbon adalah yang paling biasa. Sebagai contoh, dalam bateri alkali dan bateri zink-karbon, anod terutamanya terdiri daripada zink logam, manakala mangan dioksida berfungsi sebagai katod.
Pada masa ini, elektrolit yang digunakan adalah terutamanya elektrolit cecair (cth, litium heksafluorofosfat) dan elektrolit pepejal (cth, oksida, sulfida, polimer, dsb.). Yang pertama menawarkan kekonduksian ionik yang lebih tinggi, manakala yang kedua memberikan prestasi keselamatan yang unggul. Pemisah bateri, biasanya diperbuat daripada polietilena (PE) atau polipropilena (PP), boleh dikelaskan sebagai membran PE atau PP satu lapisan, atau sebagai membran PP/PE tiga lapisan. Bahan selongsong biasanya terdiri daripada logam atau bahan komposit.
Bahaya Bateri yang Dibelanjakan
Bateri terpakai yang tidak dikitar semula menimbulkan risiko alam sekitar dan kesihatan yang ketara. Logam berat dan bahan toksik dalam larut lesap bateri boleh mencemari tanah dan saluran air, mengganggu ekosistem semula jadi. Bahan pencemar ini secara beransur-ansur boleh terkumpul di dalam tanah dan tanaman, akhirnya memasuki tubuh manusia dan menimbulkan potensi ancaman kesihatan. Bahan cemar yang muncul dalam bateri—seperti struktur nano logam, bahan berasaskan karbon dan cecair ionik—juga telah dikaji secara meluas. Walaupun bahan ini boleh meningkatkan prestasi bateri, ia juga boleh menyebabkan bahaya alam sekitar yang teruk. Sebagai contoh, struktur nano logam boleh meningkatkan kapasiti penyimpanan dan kecekapan tenaga, tetapi ia cenderung untuk mengagregat, yang membawa kepada kemerosotan prestasi. Bahan berasaskan karbon, seperti graphene dan tiub nano karbon, mungkin memberi kesan toksik pada ekosistem akuatik. Cecair ionik boleh terkumpul di dalam tanah dan air, menghasilkan kesan sitotoksik pada mikroorganisma.
Tambahan pula, disebabkan penyelidikan ekotoksikologi yang tidak mencukupi, teknologi kitar semula yang terhad, dan jurang peraturan, risiko alam sekitar yang dikaitkan dengan bahan bateri baharu memerlukan perhatian yang lebih besar.
Penemuan bahan berasaskan graphene (GFM) telah menimbulkan kebimbangan mengenai kesan ekologinya, terutamanya kesan toksiknya terhadap organisma akuatik. Kajian telah menunjukkan bahawa GFM mempamerkan ketoksikan kepada bakteria, alga, invertebrata dan ikan, memberi kesan buruk kepada kemandirian, pertumbuhan dan pembiakan mereka. Sebagai contoh, graphene oxide (GO) boleh menghalang pertumbuhan alga dan mendorong tekanan oksidatif, yang membawa kepada kerosakan selular. Kestabilan dan mobiliti GFM dalam persekitaran akuatik dipengaruhi oleh kedua-dua sifat fizikokimia intrinsiknya dan parameter fizikokimia air. Tingkah laku mereka dalam air, seperti penjerapan dan pengagregatan, boleh mengubah pengedaran dan nasib muktamad dalam sistem akuatik.
Pada masa ini, garis panduan keselamatan alam sekitar untuk GFM tidak lengkap, dan kaedah ujian standard kurang. Oleh itu, kajian lanjut diperlukan untuk menentukan kepekatan sebenar alam sekitar dan kesan jangka panjang mereka, untuk mewujudkan garis panduan keselamatan dan strategi pengurusan yang kukuh secara saintifik.
Penyelesaian Pengurusan Bateri Sisa
Kaedah pelupusan utama untuk bateri terpakai termasuk insinerasi, tapak pelupusan, dan kitar semula [16]. Susana Xará et al. menilai keseluruhan kitaran hayat bateri, daripada pelupusan pengguna kepada rawatan akhir atau penggabungan ke dalam persekitaran, menggunakan kaedah Penilaian Kitaran Hayat (LCA). Kajian mendapati bahawa tapak pelupusan mempunyai kesan yang paling besar dari segi pendudukan tanah dan pencemaran air bawah tanah jangka panjang, manakala pembakaran terutamanya memberi kesan kepada pelepasan udara dan penggunaan sumber. Sebaliknya, kitar semula menawarkan kelebihan yang ketara untuk perlindungan alam sekitar dan pemulihan sumber. Proses kitar semula secara amnya melibatkan prarawatan, larut lesap dan pengekstrakan logam, dan penyediaan produk [17] (lihat Rajah 2). Prarawatan termasuk nyahcas, pembongkaran manual atau pengasingan mekanikal, dan mengasingkan bahan katod daripada kerajang aluminium. Kaedah biasa termasuk pembubaran pelarut, pemisahan berbantu ultrasonik, rawatan haba dan pemisahan mekanikal.
Pada masa ini, proses larut lesap dan pengekstrakan logam terutamanya melibatkan pyrometallurgy dan hidrometalurgi tradisional, serta teknik bio-metalurgi yang baru muncul (perbezaan khusus diringkaskan dalam Jadual. Pyrometallurgy melibatkan rawatan suhu tinggi bagi bateri terpakai untuk memperkaya dan memendakan unsur logam. Proses ini bermula dengan pembongkaran dan penghancuran bahan-bahan elektromekanik. Selepas itu, bahan elektrod menjalani pemanggangan, termasuk langkah pengurangan dan pengoksidaan, untuk mengubahnya menjadi bentuk yang lebih terurus Rawatan suhu tinggi kemudian digabungkan dengan fluks dan agen pengurangan untuk menghasilkan aloi atau unsur logam, yang akhirnya dipulihkan melalui kaedah pemisahan fizikal dan kimia.
Walaupun pyrometallurgy sangat berkesan untuk bateri terpakai yang kompleks, seperti bateri asid plumbum, nikel-kadmium, dan zink-mangan, ia adalah intensif tenaga dan mencemarkan alam sekitar. Komponen seperti plumbum, kadmium, zink dan merkuri boleh meruap atau mendakan pada 300–400°C, memerlukan pengendalian yang teliti. Akibatnya, pyrometallurgy kekal sebagai kaedah utama untuk memulihkan logam ini.
Hidrometalurgi menggunakan pelarut kimia untuk melarutkan unsur logam daripada bateri yang telah digunakan, diikuti dengan pengasingan dan pengekstrakan menggunakan teknik kimia dan fizikal. Proses ini bermula dengan pembongkaran dan penghancuran bateri untuk mendapatkan bahan elektrod, yang kemudiannya dilarutkan dengan menggunakan larutan berasid atau beralkali untuk melarutkan unsur logam. Penyelesaian yang terhasil ditulenkan melalui pertukaran ion, pengekstrakan pelarut, atau kaedah lain untuk menghilangkan kekotoran. Akhirnya, logam berat diperoleh semula daripada air sisa melalui pemendakan dan elektrolisis. Hidrometalurgi amat sesuai untuk pemulihan logam ketulenan tinggi daripada bateri nikel-logam hidrida dan litium-ion terpakai, terutamanya untuk logam berharga seperti kobalt dan nikel. Walau bagaimanapun, kaedah ini menghasilkan air sisa yang mengandungi garam yang memerlukan rawatan dan boleh menyebabkan pencemaran sekunder.
Bio-metalurgi melibatkan penggunaan mikroorganisma dan produk metaboliknya untuk mengekstrak unsur logam daripada bateri terpakai dengan cekap. Proses itu termasuk merungkai bateri yang rosak untuk mendapatkan bahan elektrod, diikuti dengan bioleaching di bawah keadaan yang sesuai menggunakan media mikrob khusus untuk melarutkan logam dengan berkesan. Langkah penulenan seterusnya menggunakan pertukaran ion dan pengekstrakan pelarut, dan logam akhirnya dipulihkan melalui pemendakan dan elektrolisis. Bio-metalurgi amat berharga untuk mendapatkan semula logam bernilai tinggi seperti nikel dan kobalt.
