Съдържание:

Кратко ръководство за повторно използване и рециклиране на батерии EV
Кратко ръководство за повторно използване и рециклиране на батерии EV

Видео: Кратко ръководство за повторно използване и рециклиране на батерии EV

Видео: Какой вид отопления выгоднее и безопаснее? 2022, Декември
Anonim

Първоначално публикувано в блога на Съюза на загрижените учени.

От Hanjiro Ambrose

От скутери до мотоциклети, спортни автомобили, училищни автобуси, камиони, влакове и дори самолети, изглежда навлизаме в ерата на електрифицираната мобилност. Това до голяма степен се дължи на бързо спадащите разходи и подобряването на производителността на литиево-йонните батерии. По-добрите батерии позволяват все по-широк спектър от електрически технологии за персонални, леки и тежкотоварни превозни средства. Ръстът на внедряването на литиеви батерии неизбежно ще създаде голям поток от пенсионирани или използвани батерии. До 2030 г. анализатори прогнозират, че пенсионирането може да надхвърли половин милион превозни средства годишно или над 2 милиона метрични тона батерии годишно.

Електрическите превозни средства (EV) все още са малка част от пазара на превозни средства и малкото пенсионирани електрически батерии, излизащи от превозни средства, се тестват в редица пилотни приложения или просто се съхраняват, докато технологията или инфраструктурата за рециклиране се подобряват. Докато по-голямата част от потребителските електронни отпадъци в миналото са били предназначени за депото, литиевите батерии съдържат ценни метали и други материали, които могат да бъдат възстановени, преработени и използвани повторно, за да се произведат повече батерии.

Има много обещаващи стратегии за рециклиране на литиево-йонни батерии (LIB), но има и технически, икономически, логистични и регулаторни бариери за разрешаване. Като сътрудник по климата на Hitz за Съюза на загрижените учени, ще разгледам някои от предизвикателствата и възможностите за повторна употреба и рециклиране на батериите през следващата година. Това е кратък преглед на текущото състояние на рециклиране на батериите, който подчертава възможностите за затваряне на цикъла на материалите за батерии и създаване на устойчива верига на стойност за литиеви батерии.

Краят на живота?

Когато електрическо превозно средство излезе от пътя, било от злополука или от възрастта, батерийните системи ще трябва да бъдат обработени. След първична употреба в превозно средство, потенциалните пътища за изтичане на живота на използваните акумулатори на електрически превозни средства включват повторна употреба или пренасочване („втори живот“), оползотворяване на материали (рециклиране) и изхвърляне. Независимо дали батериите се използват повторно, в крайна сметка те ще трябва да бъдат рециклирани или изхвърлени. Разбирането на възможностите и бариерите пред рециклирането е от решаващо значение за намаляване на въздействието върху околната среда от неправилно изхвърляне и за отчитане на ползите от оползотворените материали и избягването на добив на необработени ресурси.

Шепа широкомащабни съоръжения рециклират литиеви батерии днес, използвайки пирометалургични или топилни процеси. Тези растения използват високи температури (~ 1500oВ) за изгаряне на примеси и възстановяване на кобалт, никел и мед. Литият и алуминият обикновено се губят в този процес, свързани в отпадъци, наричани шлака. Някои литий могат да бъдат извлечени от шлака чрез вторични процеси. Днешните съоръжения за топене са скъпи и енергоемки, отчасти поради необходимостта от пречистване на токсични флуорни емисии и имат относително ниски нива на възстановяване на материала.

Според американските стандарти за напреднали батерии, EV батерията достига края на използваемия си живот, когато текущият й капацитет е по-малък от 80% от номиналния капацитет. Но все още има много неизвестни кога EV батериите ще бъдат пенсионирани. Например средното превозно средство е на път в САЩ повече от 12 години; съвременните електромобили с големи литиево-йонни батерии са на пазара по-малко от 8 години, като над 50% от продажбите са се случили през последните две години.

Втори живот на батериите

Приложението за втори живот на използваните батерии е привлекателна възможност за производителите на батерии и превозни средства да направят електромобилите по-достъпни и потенциално да генерират повече печалба. Повторното използване също удължава живота на батериите и потенциално измества някои нови батерии от стационарни приложения, като всичко това намалява общото въздействие на производството на батерии.

В някои случаи батериите могат да бъдат ремонтирани за използване директно в друго превозно средство, което потенциално удължава полезния живот на много системи от превозни средства. Така че, когато батерията умре преждевременно, функциониращи модули и клетки често могат да се комбинират, за да се създадат ремонтирани батерии за други превозни средства.

Изображение
Изображение

300 кВтч проект за съхранение на електрически батерии от втори живот в Калифорнийския университет в Дейвис

Като се имат предвид големият размер и високата производителност на съвременните акумулаторни батерии, пенсионираните батерии все още могат да предлагат значителен капацитет, след като се оттеглят от употреба в превозно средство. Тъй като батериите се зареждат и разреждат, тяхната производителност се влошава. Резултатът от разграждането е по-малко съхранена енергия, достъпна за захранване на превозното средство; с други думи, превозното средство няма да кара толкова далеч с едно зареждане. Но при по-малко взискателни приложения EV батериите може да получат втори живот. Докато изискванията на превозното средство за висока мощност правят съхранената енергия недостъпна, батериите може да са в състояние да служат допълнително от 6 до 10 години при стационарно приложение с по-ниска мощност, съхраняващо енергия от слънчеви панели, за да се използва в извън мрежата или при пиково потребление. приложения за бръснене.

Една от ключовите пречки пред повторната употреба е непрекъснатото подобряване на икономиката и производителността на новите батерии. Цената на новите батерии е спаднала с порядък, докато производителността се е подобрила, ефективно определяйки цените на използваните батерии от някои приложения. Интегрираната конструкция и дизайн на настоящите батерии и патентован софтуер за управление също ограничават подмяната на компоненти и увеличават разходите за тестване и пренасочване.

Изображение
Изображение

Затваряне на цикъла

Независимо дали батериите се използват повторно, в крайна сметка ще се наложи рециклиране и възстановяване на материали. Възстановяването на материалите в LIB намалява нуждата от нови суровини, намалява въздействието върху жизнения цикъл на батерията и подобрява енергийната сигурност чрез намаляване на вноса. По-голямата част от изследванията и интересите за рециклиране се фокусират върху катода на батерията, който съдържа минерали с най-висока стойност.

Има три основни етапа на рециклиране на батериите. Първият етап е предварителната обработка, която основно се състои от механично раздробяване и сортиране на пластмасови пухчета и цветни материали. Може да последва вторична обработка, която включва отделяне на катода от алуминиевото колекторно фолио с химически разтворител. Последната стъпка е разтварянето на катодните материали чрез извличане на химикали (наричани хидрометалургия) или топлинни и електролитни реакции (наричани пирометалургия).

Автоматизацията би могла да играе важна роля, за да направи предварителната обработка по-ефективна и икономична, като позволява бързо разглобяване на батерията на съставни компоненти. Разделянето на компонентите на батерията може да даде възстановени материали с по-висока чистота и стойност. Изследователите от Обединеното кралство разработват роботизирани процедури за сортиране, разглобяване и възстановяване на ценни материали от литиево-йонни батерии, които могат да премахнат риска на човешките работници от електрически и химически наранявания.

Пирометалургичните процеси за възстановяване на катодни материали обикновено имат по-големи отрицателни въздействия върху околната среда и климата, отколкото някои хидрометалургични процеси. Това отчасти се дължи на енергийните нужди и необходимостта от отстраняване на токсичните замърсители от отработените газове. След възстановяване чрез пиро (топлина) или хидро (химически) металургични процеси, минералите често трябва да бъдат преработени, преди да бъдат повторно синтезирани в катодно съединение и използвани за направата на батерийни електроди.

При директно рециклиране катодното съединение се запазва непокътнато и се рефункционализира, като се получава катоден материал със сходни, ако не и идентични свойства с оригиналното съединение. Един от компонентите с най-висока стойност на батерията е синтезираното катодно съединение; директното рециклиране се стреми да отдели съединението непокътнато и да го комбинира с допълнителен литий (повторно литиране). Директното рециклиране предлага възможност за избягване на енергоемко рафиниране и ресинтез на катодното съединение, като допълнително намалява въздействието върху околната среда от производството на батерии.

Възстановяване на критични минерали

Литиевата батерия се състои предимно от кратък списък с важни минерали, които могат да бъдат възстановени и използвани за производство на нови батерии, като по този начин намаляват производствените разходи. Цената на минералите в батерията представлява почти половината от цената на днешните литиеви батерии. Разходите за трите най-скъпи съставки в катода на батерията (т.е. кобалт, никел и литий) са силно летливи, вариращи с до 300% за една година, въпреки намалението> 90% на общата цена на EV батерии през последните десет години. Рециклирането и оползотворяването на ценните материали също намалява потенциалното количество материал, който отива на сметището от скрап от материали.

Рецептата за преходни метали в катода на батерията влияе на характеристики като енергийна плътност, плътност на мощността, живот на цикъла, безопасност и цена на батериите. Изборът на катодно съединение влияе и върху икономиката на рециклиране, тъй като стойността на възстановените материали може да не е достатъчна, за да покрие разходите за скъпи процеси на рециклиране. Кобалтът е най-ценният компонент на катодната сплав; намаляването на съдържанието на кобалт, каквато е тенденцията в технологията на батериите, намалява производствените разходи, но също така намалява стимула за рециклиране.

Рециклирането може да намали зависимостта от нови добиви, бавно изчерпване на необработени материали и да намали въздействието върху уязвимите групи от населението по веригата на стойността на батериите. Например, повече от 60% от световните доставки на кобалт идват от Демократична република Конго и са свързани с въоръжени конфликти, нелегален добив, нарушаване на човешките права и вредни екологични практики. Рециклирането на батерии и преформулирането на катоди с намалена концентрация на кобалт може да спомогне за намаляване на зависимостта от чужди източници и да повиши сигурността на веригата за доставки.

Материалите, извлечени от рециклирани батерии, могат да бъдат важен и предпочитан от околната среда източник на материали за бъдещи батерии. Изследванията показват, че оптималното рециклиране на катоди има потенциал да бъде печелившо, като се има предвид достатъчно съотношение между съдържанието на материала и стойността на материала. Може би по-важното е, че рециклирането може да осигури конкурентни и потенциално предпочитани от околната среда алтернативи на производството на катодни съединения от необработени материали.

Политика за устойчиви батерии

Има ясни причини да се провеждат политики за насърчаване на безопасни и справедливи практики за обезвреждане. Въздействието на глобалните потоци от отпадъци от потребителска електроника предлага една предпазлива история. Събирането, логистиката, споделянето на данни, стандартизацията и инвестициите в инфраструктура вероятно ще бъдат бариери пред създаването на устойчива и кръгова система за производство и рециклиране на батерии

Затварянето на цикъла на материалите за батерии чрез рециклиране на батерии EV е критична стъпка към изграждането на по-добри батерии. В момента Калифорния работи за разработване на политики, които да гарантират, че 100% от батериите за електрически превозни средства, продавани в щата, се рециклират или използват повторно в края на живота си. Политически механизми като стандарти за етикетиране и интерфейс за данни, разширена отговорност на производителя, отговорно снабдяване и депозит или основна такса биха могли да помогнат за облекчаване на някои от ключовите бариери, изброени по-горе.

Разработването на вътрешна верига за доставки на батерии за електрически превозни средства, включително вторично производство на материали за батерии, може да има важни икономически, екологични и социални въздействия. Търсенето на производство на батерии нараства бързо и рециклирането вероятно ще играе ключова роля на пазара от почти трилион долара за литиеви батерии и материали за батерии. Политиката ще играе ключова роля за осигуряване на екологична устойчивост и ръководство за справедливост и ще информира за цитирането, проектирането и развитието на производствените и рециклиращите съоръжения.

Несигурността относно съдбата на използваните акумулатори на електрически превозни средства често се посочва като предизвикателство за бъдещите усилия за електрификация на превозното средство, но някои опасения не винаги се подкрепят от фактите. Батериите могат да бъдат рециклирани икономически с наличните днес технологии. Бъдещите системи могат допълнително да намалят замърсяването, емисиите на климата и крайното изчерпване на ресурсите, свързани с жизнения цикъл на батерията.

В тази стипендия проучвам възможностите и предизвикателствата за рециклиране и повторна употреба на батерии за електрически превозни средства. Надявам се да разбера по-добре и да определя количествено въздействието на внедряването и оттеглянето на батериите при търсене на критични минерали, потенциала за съхранение на втори живот и инфраструктурата, необходима за рециклиране на батерии. Като част от стипендията ще публикувам и поредица от блогове на батерии, които задълбочават много от тези проблеми. Останете на линия.

Ханджиро Амвросий е стипендиант на семеен климат на Hitz за програмата за чист транспорт към Съюза на загрижените учени. Неговата работа изследва икономическите и екологичните последици от стратегиите за рециклиране и повторна употреба на батериите.

Популярни по теми