Αντιμετώπιση του Διλήματος των Λιθίου-Ιόντων: Απόρριψη Απενεργοποιημένων Κυψελών Μπαταριών σε έναν Όλο και Περισσότερο Ηλεκτρισμένο Κόσμο

Είναι ευρέως γνωστό ότι η καύση ορυκτών καυσίμων επηρεάζει το περιβάλλον μας. Εκτός από τον άνθρακα, αυτά τα καύσιμα περιέχουν επίσης υδρογόνο, άζωτο και θείο. Όταν καίγονται, τα ορυκτά καύσιμα απελευθερώνουν ένα μείγμα μονοξειδίου του άνθρακα, διοξειδίου του άνθρακα και νερού, μαζί με οξείδια αζώτου και θείου. Αυτές οι ουσίες, ιδιαίτερα δηλητηριώδεις σε υψηλές συγκεντρώσεις, αποτελούν σοβαρές απειλές για την υγεία και την ασφάλεια. Σημαντικά, η εκπομπή διοξειδίου του άνθρακα είναι κύριος παράγοντας της παγκόσμιας θέρμανσης, υπογραμμίζοντας τον περιβαλλοντικό αντίκτυπο της καύσης ορυκτών καυσίμων. 

Η ανάγκη απομάκρυνσης από τα ορυκτά καύσιμα έχει οδηγήσει σε εκθετική αύξηση της ζήτησης για μπαταρίες. Αντανακλώντας αυτήν την τάση, οι ερευνητές προβλέπουν το παγκόσμιο μέγεθος αγοράς μπαταριών να αυξηθεί από 112 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ το 2021 σε 424 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ το 2030. Η αγορά περιλαμβάνει διάφορες κατηγορίες μπαταριών, όπως λιθίου-ιόντων, οξείδιο ψευδαργύρου-μαγγανίου, μολύβδου-οξέος, νικελίου-μετάλλου υδριδίου, νικελίου-καδμίου, νάτριο-θείου, νικελίου-ψευδαργύρου, μικρές σφραγισμένες μπαταρίες μολύβδου, ροές μπαταριών, μεταξύ άλλων.

Ωστόσο, οι μπαταρίες λιθίου-ιόντων και μολύβδου-οξέος αποτελούν τη μεγαλύτερη μερίδα αυτής της αγοράς μπαταριών, αφήνοντας το μακρύ ουρά για τις άλλες κατηγορίες. 

Αν κοιτάξουμε το μέγεθος της αγοράς των 424 δισεκατομμυρίων δολαρίων ΗΠΑ για το 2023, πάνω από 257 δισεκατομμύρια δολάρια, πάνω από 60% της συνολικής αγοράς μπαταριών, θα καταλαμβάνονται από μπαταρίες λιθίου-ιόντων. Πάνω από 121 δισεκατομμύρια δολάρια, 27% της αγοράς, θα καταλαμβάνονται από μπαταρίες μολύβδου-οξέος. Αυτές οι δύο κατηγορίες μαζί καταλαμβάνουν πάνω από 87% της αγοράς, αφήνοντας σχεδόν 13% για τις υπόλοιπες κατηγορίες να ανταγωνιστούν. 

Πού Χρησιμοποιούνται Αυτές οι Μπαταρίες;

Οι μπαταρίες λιθίου-ιόντων βρίσκονται συνήθως στα περισσότερα φορητά καταναλωτικά ηλεκτρονικά προϊόντα γύρω μας, όπως κινητά τηλέφωνα και φορητοί υπολογιστές. Είναι επίσης η κύρια επιλογή για την πλειονότητα των πλήρως ηλεκτρικών οχημάτων και των υβριδικών ηλεκτρικών οχημάτων (PHEVs), που κερδίζουν έδαφος με σημαντικά γρήγορο ρυθμό.

Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος, από την άλλη πλευρά, δεν είναι τόσο αποδοτικές όσο οι μπαταρίες λιθίου-ιόντων. Έχουν χαμηλή ειδική ενέργεια, δεν αποδίδουν καλά σε χαμηλές θερμοκρασίες και έχουν μικρότερο κύκλο ζωής. Η ευρεία χρήση τους οφείλεται κυρίως στο χαμηλό κόστος τους. Ωστόσο, υπάρχει η συνεχιζόμενη ανάπτυξη προηγμένων μπαταριών μολύβδου-οξέος – αυτές τις ημέρες – για χρήση σε εμπορικά ηλεκτρικά οχήματα για δευτερεύοντα φορτία.

Οι μπαταρίες νικελίου-μετάλλου υδριδίου χρησιμοποιούνται σε υπολογιστές και ιατρικό εξοπλισμό και είναι επίσης σημαντικές σε υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα. Με τη σταθερή αύξηση της χρήσης ηλεκτρονικών προϊόντων και την συνεχή αύξηση του μεριδίου αγοράς των ηλεκτρικών οχημάτων, η χρήση των μπαταριών προβλέπεται να αυξηθεί αβίαστα.

Ωστόσο, αυτές οι μπαταρίες έχουν περιορισμένη διάρκεια ζωής και τελικά πρέπει να απορριφθούν. Αυτό δημιουργεί μια πρόκληση σε έναν όλο και πιο ηλεκτρισμένο κόσμο – την απόρριψη απενεργοποιημένων κυψελών μπαταριών. Υπάρχουν λύσεις, αλλά πριν τις εξερευνήσουμε περαιτέρω, είναι κρίσιμο να εξετάσουμε πιο βαθιά την ρίζα του προβλήματος.

Διάρκεια Ζωής Μπαταρίας: Μια Σύντομη Επισκόπηση

Οι μπαταρίες μπορεί να διαφέρουν σε χωρητικότητα, τόπο χρήσης και υλικό που τις συνθέτει. Κάθε παράγοντας παίζει ρόλο στο πόσο καιρό πρέπει να διαρκέσει μια μπαταρία. Η πιο δημοφιλής κατηγορία μπαταριών είναι οι λιθίου-ιόντων. Και τα ηλεκτρικά οχήματα είναι η κατηγορία χρήσης που χρησιμοποιεί αυτές τις μπαταρίες σε μεγάλη κλίμακα. 

Οι μπαταρίες που χρησιμοποιούν τα ηλεκτρικά οχήματα μοιάζουν με αυτές που χρησιμοποιούνται στα κινητά και τα φορητά μας. Έχουν πολλά πλεονεκτήματα, όπως υψηλή ενέργεια ανά μονάδα μάζας και όγκου σε σύγκριση με άλλα συστήματα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας, υψηλό λόγο ισχύος-βάρους, υψηλή ενεργειακή απόδοση, αποδοτική λειτουργία σε υψηλές θερμοκρασίες, μεγάλη διάρκεια ζωής και χαμηλή αυτό-αποφόρτιση. 

Οι μπαταρίες EV χρησιμοποιούν πακέτα που αποτελούνται από περισσότερα από δύο χιλιάδες μεμονωμένα κύτταρα λιθίου-ιόντων που λειτουργούν μαζί. Κάθε πακέτο μπαταρίας έχει τη δυνατότητα να διατηρήσει την ικανότητα φόρτισης-αποφόρτισης για περίπου 100.000 έως 200.000 μίλια. Και όταν μετράται σε χρόνια, οι περισσότερες μπαταρίες EV έχουν προσδοκούμενη διάρκεια ζωής μεταξύ 15 έως 20 ετών εντός του οχήματος.

Οι Κίνδυνοι της Απόρριψης Απενεργοποιημένων Κυψελών Μπαταριών

Σύμφωνα με το Περιβαλλοντικό Προστατευτικό Πρακτορείο των Ηνωμένων Πολιτειών, οι περισσότερες μπαταρίες λιθίου-ιόντων θα θεωρούνταν επικίνδυνα απόβλητα σύμφωνα με τον Νόμο για τη Διατήρηση και Ανάκτηση Πόρων (RCRA). Μόλις απορριφθούν, αυτές οι μπαταρίες είναι συχνά εύφλεκτες και αντιδραστικές. Παρά το ότι φαίνονται εντελώς εκφορτισμένες και απορρίψιμες για τον χρήστη, οι μπαταρίες Li-ion συχνά διατηρούν σημαντικό φορτίο, προκαλώντας κίνδυνο.

Επιπλέον, οι κατεστραμμένες και μη πλήρως σφραγισμένες μπαταρίες λιθίου μπορούν να είναι εξαιρετικά επικίνδυνες εάν έρθουν σε επαφή με νερό κατά την απόρριψη. Η σημαντική μεταλλική περιεκτικότητα στις μπαταρίες Li-ion, η οποία είναι δύσκολο να εξαλειφθεί και είναι επιβλαβής για το περιβάλλον, προσθέτει στην ανησυχία.

Μια επιστημονική αξιολόγηση έχει επισημάνει ότι οι μπαταρίες Li-ion περιέχουν υψηλές συγκεντρώσεις αλουμινίου, κοβάλτιου και χαλκού. Πρόσθετες μελέτες αποκαλύπτουν την επικίνδυνη φύση των απενεργοποιημένων μπαταριών Li-ion λόγω του περιεχομένου μόλυβδου (μέσος όρος 6,29 mg/L· σ = 11,1· όριο 5). 

Σύμφωνα με τους καλιφορνέζιους κανονισμούς, η παρουσία υπερβολικών επιπέδων κοβάλτιου (μέσος όρος 163.544 mg/kg· σ = 62.897· όριο 8.000), χαλκού (μέσος όρος 98.694 mg/kg· σ = 28.734· όριο 2.500) και νικελίου (μέσος όρος 9.525 mg/kg· σ = 11.438· όριο 2.000) χαρακτηρίζει όλες τις μπαταρίες λιθίου ως επικίνδυνες.

Οι διαλυμένες συγκεντρώσεις του χρωμίου, του μόλυβδου και του θάλλιου σε αυτές τις μπαταρίες επίσης υπερβαίνουν τα όρια των καλιφορνέζιων κανονισμών. Εκτός από την τοξικότητα που προκαλούν στους ανθρώπους και το οικοσύστημα γύρω μας, οι μπαταρίες Li-ion οδηγούν επίσης σε εξάντληση πόρων, μια σοβαρή ανησυχία για το μέλλον μας. 

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε όλα για την τεχνολογία μπαταριών.

Πώς να Ανακυκλώσετε Απενεργοποιημένες Κυψέλες Μπαταριών;

Οι κίνδυνοι που προκαλεί η απόρριψη απενεργοποιημένων κυψελών μπαταριών απαιτούν ανακύκλωση. Ωστόσο, η ανακύκλωση μιας απενεργοποιημένης μπαταρίας μπορεί να είναι επικίνδυνη. Η ακατάλληλη διαχείριση των απενεργοποιημένων κυψελών μπαταριών μπορεί να προκαλέσει βραχυκύκλωμα, πυρκαγιά και απελευθέρωση τοξικών αερίων. 

Το κλειδί βρίσκεται σε αποδοτικές μεθόδους ανακύκλωσης, που όχι μόνο μπορούν να αποτρέψουν τη ρύπανση αλλά και να δημιουργήσουν ευκαιρίες για παραγωγή βιώσιμης δευτερεύουσας ροής κρίσιμων υλικών. Μία τέτοια αποδοτική μέθοδος για την ανακύκλωση μπαταριών λιθίου-ιόντων έχει σχεδιαστεί από ερευνητές που εργάζονται στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge του Υπουργείου Ενέργειας. 

Η λύση συμπεριλαμβάνει το μούλιασμα της εξαντλημένης μπαταρίας σε διάλυμα φυσικού κιτρικού οξέος, που βρίσκεται οργανικά σε εσπεριδοειδή φρούτα. Το διάλυμα του κιτρικού οξέος διαλύεται σε αιθυλενογλυκόλη, και το μείγμα βοηθά στην εκτέλεση μιας εξαιρετικά αποδοτικής διαδικασίας διαχωρισμού και ανάκτησης για τον διαχωρισμό των μετάλλων από τον καθόδιο, το θετικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο της μπαταρίας. 

Μια αποδοτική διαδικασία ανάκτησης για τον καθόδιο σημαίνει μειωμένο κόστος μπαταρίας, καθώς ο καθόδιος συμβάλλει σε πάνω από 30% του κόστους της μπαταρίας, λόγω της κατοχής κρίσιμων υλικών. Η μέθοδος ανακύκλωσης μπορεί να διαλύσει σχεδόν όλο το κοβάλτιο και το λίθιο από τον καθόδιο χωρίς να μολύνει το σύστημα. Μπορεί να ανακτήσει πάνω από 96% του κοβάλτιου σε λίγες ώρες. Δεν υπάρχει ανάγκη προσθήκης περισσότερων χημικών για να εξισορροπηθούν χειροκίνητα τα επίπεδα οξέος. 

Σύμφωνα με τον Λου Γιου, κύριο ερευνητή του έργου:

 «Αυτή είναι η πρώτη φορά που ένα σύστημα λύσης καλύπτει τις λειτουργίες τόσο της διάλυσης όσο και της ανάκτησης».

Πέρα από τέτοιες ερευνητικές προσπάθειες σε εργαστήριο, που θα κλιμακωθούν στην παραγωγή στο μέλλον, αρκετές εταιρείες έχουν ήδη αναλάβει την εργασία της ανακύκλωσης απενεργοποιημένων και απορριφθέντων μπαταριών λιθίου-ιόντων. Θα ρίξουμε μια ματιά σε μερικές από αυτές στα επόμενα τμήματα. 

1. American Battery Technology Company

Η American Battery Technology Company (ABAT ) έχει αναπτύξει μια διαδικασία κλειστού κύκλου ανακύκλωσης μπαταριών για το διαχωρισμό και την ανάκτηση κρίσιμων υλικών από μπαταρίες που πλησιάζουν το τέλος της χρήσιμης ζωής τους. Ωστόσο, οι προσπάθειές τους δεν σταματούν μόνο στο διαχωρισμό και την ανάκτηση. 

Η διαδικασία περιλαμβάνει τον καθαρισμό αυτών των μετάλλων μπαταρίας στην ίδια ή υψηλότερη ποιότητα προδιαγραφών. Σύμφωνα με την εταιρεία, το σύστημά της προσφέρει πολλαπλά ανταγωνιστικά πλεονεκτήματα. Ο στρατηγικός σχεδιασμός της εξασφαλίζει μηδενικές λειτουργίες υψηλής θερμοκρασίας και αποτρέπει τις εκπομπές αερίων και υγρών ρύπων. Επιπλέον, οι εγκαταστάσεις ανακύκλωσης ταιριάζουν με τη ροή παραγωγής των κατασκευαστικών εγκαταστάσεων, παράγοντας ελάχιστα απόβλητα και απαιτώντας χαμηλό κεφαλαιακό κόστος εγκατάστασης.

Το πρώτο τρίμηνο του οικονομικού απολογισμού 2024, όπως δημοσιεύτηκε από την εταιρεία, ανέφερε τα βασικά ορόσημα προς λειτουργίες που δημιουργούν έσοδα. Σημαντικό είναι ότι η εταιρεία έχει σχεδιάσει, επιβλέψει και ξεκινήσει λειτουργίες στην πρώτη της εγκατάσταση ανακύκλωσης εμπορικής κλίμακας, με ονομαστική ροή 20.000 μετρικών τόνων ετησίως. 

Η εταιρεία επίσης εξασφάλισε δύο επιχορηγήσεις του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) βάσει σύμβασης και πρόσφατα έγινε επιλέξιμη για δύο επιπλέον επιχορηγήσεις, συνολικού ύψους 70 εκατομμυρίων δολαρίων ΗΠΑ σε συμβατικά ομοσπονδιακά κεφάλαια. Καταχώρησε επιτυχώς τις μετοχές της και ξεκίνησε τη διαπραγμάτευση στο Nasdaq στις 21 Σεπτεμβρίου 2023.

Κατά τη στιγμή της συγγραφής, η τιμή της μετοχής της American Battery Technology Company ήταν $3,99 και η κεφαλαιοποίηση αγοράς ξεπερνούσε τα $188 εκατομμύρια. 

2. Lithion Technologies

Η Lithion Technologies παράγει βιώσιμα στρατηγικά υλικά από μπαταρίες Li-ion. Η τεχνολογία της μπορεί να ανακτήσει έως και 95% των συστατικών αυτών των μπαταριών. 

Στη μηχανική εξαγωγή, η Lithion μπορεί να ανακτήσει πάνω από 98% του συγκεντρωτικού ορυκτού. Το συγκεντρωτικό κρίσιμων ορυκτών επεξεργάζεται στη συνέχεια μέσω της πατενταρισμένης τεχνολογίας υδρομεταλλουργίας της. Αυτή η διαδικασία επιτρέπει την ανάκτηση βασικών υλικών όπως λίθιο, κοβάλτιο, νικέλιο, γραφίτης και μαγγάνιο. 

Αξιοσημείωτο, η Lithion ισχυρίζεται ότι οι τεχνολογίες της έχουν σημαντικά μικρότερο περιβαλλοντικό αντίκτυπο σε σύγκριση με την παραδοσιακή εξόρυξη. Οι εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου (GHG) είναι 75% λιγότερες από αυτές της εξόρυξης, και μειώνουν περαιτέρω τη χρήση νερού κατά εντυπωσιακά 90%.

Τον Απρίλιο του 2022, η Lithion έλαβε 22,5 εκατομμύρια δολάρια χρηματοδότηση από την κυβέρνηση του Κεμπέκ, συμπεριλαμβανομένης μιας επένδυσης 15 εκατομμυρίων δολαρίων σε μετοχές της εταιρείας μέσω του Investissement Québec και 7,5 εκατομμυρίων δολαρίων σε επιχορηγήσεις από το Fonds d’électrification et de changements climatiques.

3. Ecobat

Η Ecobat λειτουργεί μέσω ενός εκτενούς δικτύου 65.000 σημείων συλλογής για τη διαχείριση μπαταριών στο τέλος της ζωής τους ως μέρος των λύσεων ανακύκλωσης αποθήκευσης ενέργειας. Έχει συγκεντρώσει σχεδόν 15.000 μέλη ή πελάτες μέχρι τώρα, ανακυκλώνοντας 120 εκατομμύρια μπαταρίες ετησίως. 

Για τη συλλογή από τα καθορισμένα σημεία, η Ecobat διαθέτει το δικό της στόλο 100 οχημάτων. Με 11 εγκαταστάσεις τήξης, ασχολείται με μπαταρίες λιθίου, μπαταρίες μολύβδου και άλλες χημικές μπαταρίες. Η Ecobat διαθέτει επίσης μια διαδικασία κλειστού κύκλου κυκλικής ανάκτησης, όπου το 80% της ανάκτησής της επιστρέφει στην κατασκευή μπαταριών. Υποσχέεται επίσης ποσοστό ανακυκλωσιμότητας 99%.

Η Ecobat ισχυρίζεται ότι είναι ο μεγαλύτερος παγκοσμίως «ανακυκλωτής μπαταριών» που καλύπτει τις βασικές ανάγκες αποθήκευσης ενέργειας, καθιστώντας την επιχείρηση μπαταριών πιο ασφαλή και πιο βιώσιμη για μια κυκλική ενεργειακή οικονομία. Το 2021, η δραστηριότητα ανακύκλωσης μπαταριών μολύβδου της Ecobat ανέκυκλωσε 70 εκατομμύρια μπαταρίες αυτοκινήτων πλήρως.

4. Cirba Solutions

Η Cirba Solutions διαθέτει συνολικά 60 χρόνια εμπειρίας στην ανακύκλωση με τρεις μάρκες – Battery Solutions, Heritage Battery Recycling και Retriev Technologies – υπό την αιγίδα της. Είναι μία από τις πρωτοπόρες στην ανακύκλωση μπαταριών λιθίου με τη δική της ομάδα ανακύκλωσης μπαταριών, λογιστική εστίαση στις μπαταρίες, κλειστό κύκλο ζωής και εγκαταστάσεις επεξεργασίας λιθίου.

Η εταιρεία διαθέτει εξειδικευμένη διαδικασία ανακύκλωσης που περιλαμβάνει λύσεις διασταυρούμενων χημικών για συστατικά βασισμένα σε κοβάλτιο και μη-κοβάλτιο. Μέχρι σήμερα, έχει επεξεργαστεί πάνω από 36 εκατομμύρια λίβρες λιθίου-ιόντων για πάνω από 30 χρόνια. 

Σύμφωνα με τα πιο πρόσφατα διαθέσιμα δεδομένα, η Cirba συγκέντρωσε 50 εκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ στην πιο πρόσφατη εταιρική της γύρο στις 9 Φεβρουαρίου 2023. 

Απόρριψη Απενεργοποιημένων Κυψελών Μπαταριών: Το Μέλλον

Η παρουσία μπαταριών λιθίου-ιόντων, απαραίτητων για τη λειτουργία ηλεκτρικών οχημάτων και την τροφοδοσία σύγχρονων καταναλωτικών ηλεκτρονικών, θα γίνει όλο και πιο διαδεδομένη. Στατιστικά, μεταξύ 2022 και 2030, η παγκόσμια ζήτηση για μπαταρίες λιθίου-ιόντων θα αυξηθεί σχεδόν επτά φορές, φτάνοντας τα 4,7 TWh το 2030. 

Σε όρους παραγωγής, η Κίνα κατέχει πάνω από τρία τέταρτα της παγκόσμιας δυναμικότητας. Η Βόρεια Αμερική και η Ευρώπη δεν θα μείνουν πίσω για πολύ, καθώς επίσης στοχεύουν σε σημαντική αύξηση της παραγωγής. Γι’ αυτό απαιτούνται ενοποιημένες και καλά συντονισμένες παγκόσμιες προσπάθειες για να διασφαλιστεί ότι η ανακύκλωση μπαταριών θα γίνει προσβάσιμη και βιώσιμη διαδικασία, και μόνο τότε θα μπορέσουμε να σώσουμε τον κόσμο από τους κινδύνους της ρύπανσης και της εξάντλησης πόρων.

Η Κίνα, για παράδειγμα, θεωρεί τους κατασκευαστές αυτοκινήτων υπεύθυνους για τη «θεραπεία στο τέλος της ζωής» των μπαταριών οχημάτων. Η Ευρωπαϊκή Ένωση δεν είναι πολύ πίσω, καθώς έχει θέσει πρότυπα για τη συλλογή και ανάκτηση των μπαταριών επίσης.

Όσο περισσότερες καινοτομίες σε εφαρμογές δεύτερης ζωής αυτών των μπαταριών θα εμφανιστούν, θα βοηθήσουν στην αποφυγή των επικείμενων κινδύνων της αναποτελεσματικής ανακύκλωσης. Ας κλείσουμε κοιτάζοντας ένα τέτοιο παράδειγμα. Ένα σύστημα αποθήκευσης ενέργειας στην Johan Cruijff Arena, Άμστερνταμ, αξιοποιεί το ισοδύναμο των 148 νέων και χρησιμοποιημένων μπαταριών Nissan LEAF για τη σύλληψη ενέργειας από 4.200 ηλιακούς πίνακες και την αποθήκευση έως 3 μεγαβάτ ισχύος. Αυτή η σύλληψη είναι αρκετή για τη φόρτιση μισού εκατομμυρίου iPhone ως εφεδρεία.

Συμπερασματικά, η επίτευξη των στόχων σε παγκόσμια κλίμακα απαιτεί ενεργή συμμετοχή όλων. Οι αυτοκινητοβιομηχανίες, οι κατασκευαστές καταναλωτικών ηλεκτρονικών, οι παγκόσμιοι οικονομικοί φορείς, τα συμβούλια των εθνών – όλοι θα πρέπει να δώσουν τη φωνή τους στην βιώσιμη και αποδοτική ανακύκλωση και ανάκτηση των απενεργοποιημένων κυψελών μπαταριών.

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε πώς τα EV μπορούν όχι μόνο να βοηθήσουν τη γη αλλά και να σώσουν ζωές.