Са напретком технологије и побољшањем животног стандарда, батерије су постале неопходни уређаји за складиштење енергије, који се широко користе у мобилној електронској опреми, електрична возила, i системи за складиштење обновљиве енергије у батеријамаМеђутим, због њиховог ограниченог века трајања, велика производња истрошених батерија представља озбиљну претњу по животну средину. Отпадне батерије садрже тешке метале и опасне хемијске супстанце, које, ако се неправилно третирају, могу изазвати дугорочно еколошко загађење, угрозити људско здравље и довести до губитка вредних металних ресурса као што су литијум, кобалт и никл. Стога, са становишта заштите животне средине и коришћења ресурса, ефикасан третман и рециклажа истрошених батерија су од великог значаја за постизање циркуларности ресурса и одрживог развоја.
Примене батерија и раст тржишта
Током протеклих приближно 200 година, батерије су служиле као неопходни уређаји за складиштење енергије, широко примењени у преносној електроници, електричним возилима и бројним другим областима због своје ниске цене, безбедности и стабилности, високе ефикасности конверзије и добре прилагодљивости животној средини [1]. Међутим, са брзим темпом повећања потрошње и континуирано растућом потражњом за електричним возилима, процењује се да ће у периоду од јануара до јуна 2024. године домаће и међународно тржиште продати 318.1 GWh, 84.5 GWh и 23 GWh, респективно. Производња и продаја возила на нову енергију достигле су 4.929 милиона јединица, што представља међугодишњи раст од 30.1% и 32.0%, респективно, док је кинески извоз електричних возила износио 1.0849 милиона јединица, што је повећање од 36.9% у поређењу са истим периодом прошле године.
Век трајања батерије и стварање отпада
Поред тога, подаци показују да оловно-киселинске батерије генерално имају век трајања од 2-3 године, никл-метал хидридне батерије 3-5 година, а литијум-јонске батерије 2-6 година. Овај кратак век трајања резултирао је стварањем великог броја истрошених батерија. Према предвиђањима Кинеског института за истраживање пословне индустрије, количина истрошених батерија литијум-јонске батерије у Кини ће достићи 1.04 милиона тона до 2025. године и повећати се на 3.5 милиона тона до 2030. године. Даље се процењује да ће величина тржишта за рециклажу батерија у Кини достићи приближно 140 милијарди јуана до 2030. године, што је око девет пута више него 2022. године.
Изазови у рециклажи и регулацији тржишта
Међутим, због застарелих стандарда, ограниченог броја квалификованих предузећа и слабог надзора, велики део истрошених батерија завршава у малим радионицама, што представља значајне безбедносне ризике и озбиљно омета стандардизовани развој кинеског тржишта рециклаже батерија. До 2023. године, стандардизована стопа рециклаже за батерије за возила са новим изворима енергије у Кини била је мања од 25%, при чему је преко 70% истрошених батерија ушло у илегалне канале за рециклажу. У 2018. години, укупна количина истрошених батерија у Кини достигла је 74,000 тона, од чега је само 5,472 тоне правилно рециклирано, што чини само 7.4% укупних истрошених батерија, далеко испод прогнозираних вредности.
Ризици по животну средину и здравље
Неправилан третман електродних материјала и електролита у истрошеним батеријама може довести до озбиљног загађења животне средине због ослобађања металних јона као што су никл, кобалт и манган, као и других органских једињења, што такође може представљати ризик по људско здравље. Истовремено, ови материјали поседују значајну економску вредност. Без правилног рециклирања, не само да би се вредни ресурси трошили, већ би се повећала и зависност Кине од гвоздене руде, што би потенцијално утицало на националну енергетску безбедност.
Вредност ресурса и стратешки значај
На пример, садржај кобалта, литијума и никла у катодним материјалима је знатно већи од њихових концентрација у природним рудама, достижући приближно 5%–20%, 5%–7% и 5%–10%, респективно, а садржи и елементе у траговима као што су бакар, алуминијум и гвожђе. Ресурси литијума показују јасне геополитичке обрасце дистрибуције, а рециклажа може смањити зависност од страних понуда, а истовремено побољшати националну безбедност ресурса. Ефикасно извлачење вредних метала из истрошених литијум-јонске батерије не само да генерише значајне економске користи већ има и важан геополитички значај.
Овај преглед сумира типове батерија, електрохемијске системе и њихове принципе рада. Пружа упоредну анализу дизајна батерија из раног 19. века, као што су цинк-угљеничне и оловно-киселинске батерије, и модерних технологија батерија, укључујући никл-метал хидридне (NiMH) и вентилски регулисане оловно-киселинске (VRLA) батерије, фокусирајући се на њихове механизме реакције, предности и мане и применљиве области, као што је детаљно описано у Табели 1. Преглед наглашава да ће будуће технологије батерија наставити да се оптимизују ка дужем веку трајања, нижим трошковима и побољшаним еколошким перформансама како би се задовољиле различите потребе стамбених, индустријских и ваздухопловних примена.
Основна структура велике већине батерија обично укључује катоду, аноду, електролит, сепаратор и кућиште. Узимајући литијум-јонске батерије као пример у погледу састава: материјал катоде обично садржи метале високе валентности, док се материјал аноде првенствено састоји од материјала на бази угљеника као што су графит, метални материјали или силицијумски материјали, при чему су материјали на бази угљеника најчешћи. На пример, код алкалних батерија и цинк-угљеничних батерија, анода је углавном састављена од металног цинка, док манган-диоксид служи као катода.
Тренутно се користе првенствено течни електролити (нпр. литијум хексафлуорофосфат) и чврсти електролити (нпр. оксиди, сулфиди, полимери итд.). Први нуде већу јонску проводљивост, док други пружају врхунске безбедносне перформансе. Сепаратори батерија, обично направљени од полиетилена (ПЕ) или полипропилена (ПП), могу се класификовати као једнослојне ПЕ или ПП мембране или као трослојне ПП/ПЕ мембране. Материјали кућишта су углавном састављени од метала или композитних материјала.
Опасности од истрошених батерија
Нерециклиране истрошене батерије представљају значајан еколошки и здравствени ризик. Тешки метали и токсичне супстанце у процедној води из батерија могу загадити земљиште и водене токове, нарушавајући природни екосистем. Ови загађивачи се могу постепено акумулирати у земљишту и усевима, на крају улазећи у људско тело и представљајући потенцијалне претње по здравље. Нови загађивачи у батеријама - као што су металне наноструктуре, материјали на бази угљеника и јонске течности - такође су опширно проучавани. Иако ови материјали могу побољшати перформансе батерија, они такође могу изазвати озбиљне опасности по животну средину. На пример, металне наноструктуре могу побољшати капацитет складиштења и енергетску ефикасност, али имају тенденцију да се агрегирају, што доводи до деградације перформанси. Материјали на бази угљеника, као што су графен и угљеничне наноцеви, могу имати токсичне ефекте на водене екосистеме. Јонске течности се могу акумулирати у земљишту и води, производећи цитотоксичне ефекте на микроорганизме.
Штавише, због недовољних екотоксиколошких истраживања, ограничених технологија рециклаже и регулаторних празнина, еколошки ризици повезани са новим материјалима за батерије захтевају већу пажњу.
Откриће материјала на бази графена (GFM) изазвало је забринутост у вези са њиховим еколошким утицајем, посебно њиховим токсичним ефектима на водене организме. Студије су показале да GFM показују токсичност за бактерије, алге, бескичмењаке и рибе, што негативно утиче на њихов опстанак, раст и репродукцију. На пример, графен оксид (GO) може инхибирати раст алги и изазвати оксидативни стрес, што доводи до оштећења ћелија. На стабилност и мобилност GFM у воденим срединама утичу и њихова унутрашња физичко-хемијска својства и физичко-хемијски параметри воде. Њихово понашање у води, као што су адсорпција и агрегација, може променити њихову дистрибуцију и коначну судбину у воденим системима.
Тренутно су смернице за безбедност животне средине за GFM-ове непотпуне, а недостају и стандардизоване методе испитивања. Стога су потребна даља истраживања како би се утврдиле њихове стварне концентрације у животној средини и дугорочни ефекти, како би се успоставиле научно утемељене смернице за безбедност и стратегије управљања.
Решења за управљање отпадним батеријама
Главне методе одлагања истрошених батерија укључују спаљивање, одлагање на депоније и рециклажу [16]. Сусана Ксара и др. проценили су цео животни циклус батерија, од одлагања од стране потрошача до коначног третмана или уградње у животну средину, користећи методу процене животног циклуса (LCA). Студија је открила да одлагање на депоније има највећи утицај у погледу заузимања земљишта и дугорочног загађења подземних вода, док спаљивање првенствено утиче на емисије у ваздух и коришћење ресурса. Насупрот томе, рециклажа нуди значајне предности за заштиту животне средине и опоравак ресурса. Процеси рециклаже генерално укључују претходну обраду, излучивање и екстракцију метала и припрему производа [17] (видети слику 2). Претходна обрада укључује пражњење, ручно растављање или механичко одвајање и одвајање катодних материјала од алуминијумске фолије. Уобичајене методе укључују растварање растварачем, ултразвучно потпомогнуто одвајање, термичку обраду и механичко одвајање.
Тренутно, процеси излуживања и екстракције метала углавном укључују традиционалну пирометалургију и хидрометалургију, као и нове технике биометалургије (специфичне разлике су сумиране у Табели). Пирометалургија подразумева високотемпературну обраду истрошених батерија ради обогаћивања и исталагања металних елемената. Процес почиње демонтажом и дробљењем батерија како би се уклониле неметалне компоненте и добили материјали за електроде. Након тога, материјали за електроде се подвргавају пржењу, укључујући кораке редукције и оксидације, како би се трансформисали у облике којима је лакше управљати. Високотемпературна обрада се затим комбинује са флуксовима и редукционим средствима да би се добиле легуре или метални елементи, који се коначно регенеришу физичким и хемијским методама раздвајања.
Иако је пирометалургија веома ефикасна за сложене истрошене батерије, као што су оловно-киселинске, никл-кадмијумске и цинк-манганске батерије, она је енергетски интензивна и загађује животну средину. Компоненте попут олова, кадмијума, цинка и живе могу да испаре или се исталоже на 300–400°C, што захтева пажљиво руковање. Сходно томе, пирометалургија остаје примарна метода за опоравак ових метала.
Хидрометалургија користи хемијске раствараче за растварање металних елемената из истрошених батерија, након чега следи одвајање и екстракција коришћењем хемијских и физичких техника. Процес почиње растављањем батерије и дробљењем како би се добили материјали за електроде, који се затим испражњавају коришћењем киселих или алкалних раствора за растварање металних елемената. Добијени раствори се пречишћавају јонском разменом, екстракцијом растварачем или другим методама за уклањање нечистоћа. Коначно, тешки метали се извлаче из отпадних вода путем таложења и електролизе. Хидрометалургија је посебно погодна за извлачење метала високе чистоће из истрошених никл-метал хидридних и литијум-јонских батерија, посебно за вредне метале као што су кобалт и никл. Међутим, ова метода ствара отпадне воде које садрже соли, а које захтевају пречишћавање и могу изазвати секундарно загађење.
Биометалургија подразумева коришћење микроорганизама и њихових метаболичких производа за ефикасно издвајање металних елемената из истрошених батерија. Процес обухвата демонтажу оштећених батерија ради добијања материјала за електроде, након чега следи биолошко излучивање под одговарајућим условима коришћењем специјализованих микробних медијума за ефикасно растварање метала. Накнадни кораци пречишћавања користе јонску измену и екстракцију растварачем, а метали се коначно регенеришу таложењем и електролизом. Биометалургија је посебно вредна за регенерацију високовредних метала као што су никл и кобалт.
