Recyklace li-ion baterií – úvod

V roce 1991 společnost Sony přišla na trh s přenosnou li-ion baterií,  která se díky nižšímu poměru hmotnosti a velikosti k výkonu, konstantnímu napětí na výstupu a delší životnosti stala hojně využívaná v přenosných zařízeních. V současné době je tato technologie upřednostňována k pohonu elektromobilů. Trh li-ion baterií rapidně roste a zanechává nás s jednou otázkou – co budeme dělat s půl tunovými bateriemi na konci jejich životnosti?

Recyklace je proces, kterým lze zpětně získat strategickou surovinu. Je jasné, že opětovné užití recyklovaného materiálu šetří suroviny, které jsou nezbytné pro dlouhodobou udržitelnost li-ion baterií. Podněty k recyklaci jsou však různé, a záleží i na chemickém složení.

Kobalt a nikl jsou hlavními podněty k recyklaci, co se týče ekonomické hodnoty. Tento aspekt je nutný vzít v úvahu, jelikož ekonomická hodnota materiálu není vždy v souladu s emisemi a spotřebou energie související s materiálem, popřípadě s potenciální úsporou v této oblasti. Příkladem je LFP baterie, která neobsahuje žádný ekonomicky vzácný kov a tudíž podněty k recyklaci jsou nízké. LFP baterie však obsahují hliník, který má vysoké CO2 emise při výrobě.

Současné recyklování je soustředěno spíše na ekonomickou hodnotu a nesoustředí se na vývoj trhu elektromobilů, který by v budoucnu mohl být brzděn právě nedostatkem materiálu.

Množství baterií, které přichází do Evropské unie je přibližně 800 000 tun v rámci automobilového průmyslu, 190 000 tun v rámci průmyslové oblasti a 160 000 tun v rámci spotřebitelského trhu.

Současné požadavky na recyklaci li-ion baterií

Je nutné vyvinout recyklační procesy pro velké baterie využívané v hybridních či elektrických vozidlech. Vzhledem k jejich velikosti, váze a kapacitě kladou vozidlové li-ion baterie jiné požadavky na recyklační proces než malé, přenosné baterie.

Důležitým odrazovým bodem pro recyklaci li-ion baterií jsou požadavky kladené legislativou, které jsou nezbytné pro zajištění recyklace ve velkém měřítku.

Směrnice 2006/66/ES uvádí, jak by měly být různé typy baterií recyklovány. Dále, v návaznosti na předcházející směrnici, je tu nařízení EU 493/2012, které stanovuje prováděcí pravidla pro výpočet recyklační účinnosti procesů odpadních baterií a akumulátorů.

Směrnice o bateriích zahrnuje i odpovědnost a povinnosti výrobce, který dodává baterie na trh, za jejich sběr a recyklaci:

• 95 % baterií dodávaných na trhu musí být nazpět shromážděno,
• 50 % celkové hmotnosti shromážděných baterií musí být recyklováno,
• zpráva o shromážděných a recyklovaných bateriích příslušným úřadům

Rozhodnutí komise 2008/763/EC – stanovení společné metodiky výpočtu ročních prodejů přenosných baterií a akumulátorů konečným uživatelům

Rozhodnutí komise 2009/851/EC – zavedení dotazníku pro zprávy členských států o provádění směrnice 2006/66/ES o bateriích a akumulátorech a odpadních bateriích a akumulátorech

Nařízení komise EU č. 1103/2010 – kterým se stanoví pravidla podle směrnice Evropského parlamentu a Rady 2006/66/ES týkající se označování kapacity přenosných, sekundárních (schopných opětovného nabití) a automobilových baterií a akumulátorů

Nařízení komise EU č. 493/2012 – Recyklační účinnost procesů recyklace odpadních baterií a akumulátorů.

Dalšími důvody k recyklaci li-ion baterii kromě legislativních požadavků a doporučení jsou:

• dochází k úspoře materiálů využívaných v bateriích opětovným využitím. Dochází ke zvýšení cenové stability surovin a zajištění materiálu pro budoucí využití
• recyklace přispívá ke snížení CO2, dochází k úspoře energie a snižuje množství nebezpečných látek, které by se mohli dostat do životního prostředí
• závislost na zemích s lithiovými zásobami by se mohla díky recyklaci snížit, což je žádoucí ze strategických důvodů

Recyklace li-ion baterií je v současné době nízká. Není to pouze z důvodu nedostatečné ekonomické motivace, ale také z důvodu, že pouze malý objem baterií zatím dosáhl konce své životnosti. Výrazný růst prodeje elektromobilů nastal ve větším měřítku v posledních 5 až 10 letech, což znamená, že velmi málo baterií již dosáhlo recyklační fáze.

V současné době je recyklace určena hlavně legislativními a bezpečnostními požadavky předmětných směrnic a nařízení. Je tedy jasné, že legislativní stránka hraje velice důležitou roli v tomto odvětví. Do budoucna by hlavním záměrem mělo být vybudování ekonomicky nezávislého recyklačního řetězce, kde by hlavní motivací nebyla ekonomická hodnota materiálu, ale šetrnost k životnímu prostředí a znovu užití již vytěžených surovin.

„Second life“

Zájem o vysloužilé, „second life “, li-ion baterie se zvyšuje, a to zejména z hybridních a elektrických vozidel, kde je baterie považována za nevhodnou pokud dosáhne 80 % své původní kapacity. Vysloužilé baterie z hybridních a elektrických aut jsou hlavním zájmem využití pro uchování elektrické energie pro energetickou síť.

Dále je tu zájem o využití li-ion baterií v elektrických vozidlech pro integraci do sítě: vehicle-to-grid (V2G). Ve V2G scénáři je elektromobil připojen k síti, například pomocí dobíjecí stanice Enel V2G, kde může elektrickou energii dodávat nebo přijímat na základě poptávky. V obou scénářích integrace baterií do sítě dojde ke stabilizaci elektrické sítě.

Jelikož většina baterií nedosáhla ještě konce své životnosti, není známo kolik procent baterií z hybridních či elektrických vozidel se bude k tomuto účelu dát využít.

Materiály obsažené v bateriích

Materiály obsažené v li-ion bateriích se liší v závislosti na aktivním materiálu katody. Na současném li-ion trhu stále ještě dominují malé baterie, které využívají katody z kobaltu, ale objevují se i katody s manganem a fosforečnanem železa. Baterie pro elektromobily využívají místo kobaltu raději katody na bázi manganu a niklu, lithium-železo-fosfátové katody (LiFePO4) nebo oxid lithno-nikelnato-kobaltno-hlinitý (LiNiCoALO2).

Společnost Umicore provedla hmotnostní bilanci a uvádí průměrné zjištěné hodnoty. V následující tabulce je souhrn materiálů obsažených v li-ion bateriích, které byly odděleny v procesu demontáže u prototypních baterií a u baterií pro hybridní vozy. To se odráží v poměrně nízkém procentuálním vyjádření bateriových článků. U elektromobilů je tato položka odhadována na 60 % vůči 32 % uvedeným v tabulce.

Současné technologie recyklování

Hlavní otázku, kterou si musíme položit, je „jaký materiál se dá ekonomicky a technicky získat procesem recyklace?“.

První krok demontování nastane s obalem, což usnadňuje recyklování ocele, hliníku, plastu a elektroniky, která je spojená s obalem anebo dostupná po jeho odstranění. Po tomto kroku následují bateriové články. I když je možné využít více technologií k recyklaci li-ion baterií, je zde pouze jedna, která je zatím využívána v komerčním měřítku – pyrometalurgická recyklace . Hydrometalurgické metody jsou v prototypním měřítku jak v Evropě, tak i v USA. Následující tabulka obsahuje pyro- a hydrometalurgické procesy recyklování a materiály, které se dají získat.

Využití materiálu po recyklaci není rozhodující, rozhodující je jeho výstupní kvalita, která je primární v dalším začlenění do výrobních procesů. Pokud se materiál po recyklaci nedá znovu využít ke stejným účelům, nedosáhne se snížení zátěže na životní prostředí. Logika věci je, že dojde ke ztrátě energie a ke zvýšení emisí, pokud recyklační proces musí být zopakován.

Pokud chceme zajistit snížení negativních dopadů baterií skrze recyklaci, musíme požadovat vysokou míru recyklace baterií vyskytujících se na trhu a vysokou úroveň výstupní kvality. V současné situaci leží environmentální zátěž v životním cyklu vozidel, protože materiály nejsou recyklovány vůbec, anebo obecně, kvalita již recyklovaných materiálů není natolik vysoká, aby byla využita k výrobě dalších baterií.

Z pohledu vyčerpání zdrojů je otázka kvality ještě více důležitá. K zajištění budoucí zásoby materiálu na výrobu baterií musí být výstup recyklace na přijatelné úrovni. Tesla společně se společností Umicore tvrdí, že při použití recyklovaného materiálu se sníží značně zátěž na životní prostředí. Při použití recyklovaných katod udávají až 70%.

Recyklovaná kvalita lithia je v současné době pod úrovní využití při výrobě nových bateriích. Z hlediska dlouhodobé udržitelnosti trhu s bateriemi je potřeba v tomto ohledu značné zlepšení. Lithiový článek může být teoreticky recyklován skoro celý. Společnost Recupyl S.A. vyvinula již v roce 2003 hydrometalurgický proces recyklace, který má za výsledek 90 % obnovy  lithia. V současné době je však tento proces ekonomicky nerealizovatelný ve velkém měřítku.

Hydrometalurgie

Hydrometalurgie zahrnuje využití vodného roztoku a operací k rozdělení různých komponent. Získané materiály a kovy, jsou zpracovány jako meziprodukty a očištěny.

Hydrometalurgie je proces probíhající za nízkých teplot, kde kovy, obsažené v materiálu, jsou pomocí kyseliny nebo solí přeměněny na kovový roztok. Srážení kovů nebo jejich sloučenin z roztoků lze pomocí cementace, elektrolýzy, hydrolýzy, ohřevem v destilátorech a pomocí krystalizace.

Výhodou tohoto procesu je selektivnost. Přímým rozdělením a znovunabytím několika materiálů je dosaženo vysoké efektivnosti. Využití energie k obnově materiálu je na nízké úrovni, tedy odrazem nízkých teplot, a to samé můžeme tvrdit u úrovně emisí vznikajících při použití této metody. Na druhou stranu, chemické reakce vyžadují delší dobu a jsou méně produktivní než pyrometalurgický proces.

Pyrometalurgie

Jakýkoliv pyrometalurgický proces zahrnuje přeměnu materiálu pomocí vysokých teplot.

Při nižších teplotách jsou výsledkem fázové přechody a strukturální změny, zatímco při vyšších teplotách je výrazně zahrnuta chemická reakce.

Při vysokých teplotách mohou být baterie taveny a vzniká tím kovová frakce, struska a plyny. Plyny jsou těkavé produkty z rozkladu organických materiálů.

Pyrometalurgie využívá průmyslových pecí, kde jsou kovové materiály a kovy transformovány nebo čištěny. Díky vysokým teplotám spotřebuje metalurgický proces hodně energie.