Li-ion İkilemini Ele Almak: Artan Elektrifikasyon Dünyasında Kullanılamaz Pil Hücrelerinin Bertarafı

Fosil yakıtların yakılmasının çevremizi etkilediği iyi bilinen bir gerçektir. Sadece karbon içermeyip, aynı zamanda hidrojen, azot ve kükürt de barındırırlar. Yakıldıklarında, fosil yakıtlar karbon monoksit, karbondioksit ve suyun yanı sıra azot ve kükürt oksitleri karışımı salar. Bu maddeler, özellikle yüksek konsantrasyonlarda zehirli olup, sağlık ve güvenliğe ciddi tehditler oluşturur. Özellikle karbondioksit emisyonu, küresel ısınmanın başlıca nedenlerinden biridir ve fosil yakıt yanmasının çevresel etkisini vurgular. 

Fosil yakıtlardan uzaklaşma ihtiyacı, pil talebinde üssel bir artışa yol açtı. Bu eğilimi yansıtan araştırmacılar, küresel pil pazarının 2021’de 112 milyar ABD doları iken 2030’da 424 milyar ABD doları seviyesine ulaşacağını öngörüyor. Pazar, lityum-iyon, çinko-mangan dioksit, kurşun-asit, nikel-metal hidrit, nikel-kadmiyum, sodyum-sülfür, nikel-çinko, küçük kapalı kurşun-asit, akış pilleri gibi çeşitli pil kategorilerini kapsar.

Ancak, lityum-iyon ve kurşun-asit piller bu pil pazarının büyük çoğunluğunu oluştururken, diğer kategoriler uzun kuyrukta kalmaktadır.

Eğer 2023’teki 424 milyar ABD doları pazar büyüklüğüne bakarsak, 257 milyar ABD doları üzerindeki, yani tüm pil pazarının %60’ından fazlası lityum-iyon piller tarafından işgal edilecektir. 121 milyar ABD doları üzerindeki, pazarın %27’si ise kurşun-asit piller tarafından işgal edilecektir. Bu iki kategori birlikte pazarın %87’den fazlasını kaplamakta, geriye kalan kategoriler için ise yaklaşık %13 kalmaktadır.

Bu Piller Nerede Kullanılıyor?

Lityum-iyon piller, cep telefonları ve dizüstü bilgisayarlar gibi çevremizdeki çoğu taşınabilir tüketici elektroniğinde yaygın olarak bulunur. Ayrıca, tümüyle elektrikli araçların ve hibrit elektrikli araçların (PHEV) büyük çoğunluğu için birincil tercih olup, hızla popülerlik kazanmaktadır.

Öte yandan, kurşun-asit piller lityum-iyon pillere göre daha verimli değildir. Düşük özgül enerjiye sahiptir, düşük sıcaklıklarda performansları zayıftır ve yaşam döngüleri daha kısadır. Yaygın kullanımının temel nedeni düşük maliyetleridir. Bununla birlikte, günümüzde ticari elektrikli araçlarda yardımcı yükler için kullanılmak üzere gelişmiş kurşun-asit pillerin geliştirilmesi sürmektedir.

Nikel-metal hidrit piller bilgisayarlar ve tıbbi ekipmanlarda kullanılır ve hibrit elektrikli araçlarda da önemli bir rol oynar. Elektronik ürün kullanımının sürekli artışı ve elektrikli araçların pazar payının sürekli yükselmesiyle, pil kullanımı da kaçınılmaz olarak artacaktır.

Bu pillerin ise sınırlı bir raf ömrü vardır ve sonunda bertaraf edilmeleri gerekir. Bu, giderek elektrifikasyon kazanan bir dünyada – kullanılmaz pil hücrelerinin bertarafı – bir zorluk oluşturur. Çözümler mevcut, ancak daha derinlemesine incelemeden önce temel nedeni ayrıntılı olarak değerlendirmek önemlidir.

Pil Raf Ömrü: Kısa Bir Genel Bakış

Piller kapasite, kullanım yeri ve oluştuğu malzeme bakımından farklılık gösterebilir. Her faktör, bir pilin ne kadar süre dayanması gerektiğini etkiler. En popüler pil kategorisi lityum-iyon’dur. Ve elektrikli araçlar, bu pilleri büyük ölçekte kullanan kullanım kategorisidir.

Elektrikli araçların kullandığı piller, mobil telefonlarımız ve dizüstü bilgisayarlarımızda kullanılanlarla benzerlik gösterir. Diğer elektrik enerjisi depolama sistemlerine kıyasla birim kütle ve hacim başına yüksek enerji, yüksek güç-ağırlık oranı, yüksek enerji verimliliği, yüksek sıcaklık performansında etkinlik, uzun ömür ve düşük kendi kendine deşarj gibi birçok avantaja sahiptir.

EV pilleri, iki binden fazla bireysel lityum-iyon hücreden oluşan paketleri kullanır. Her pil paketi, şarj-deşarj yeteneğini 100.000 ile 200.000 mil arasında bir mesafede koruyabilecek kapasiteye sahiptir. Yıllık olarak ölçüldüğünde, çoğu EV pilinin araç içinde 15 ila 20 yıl arasında bir ömür beklentisi vardır.

Kullanılamaz Pil Hücrelerinin Bertarafının Riskleri

Amerika Birleşik Devletleri Çevre Koruma Ajansı’na göre, çoğu lityum-iyon pil, Kaynak Koruma ve Geri Kazanım Yasası (RCRA) kapsamında tehlikeli atık olarak sınıflandırılır. Atıldıktan sonra bu piller genellikle yanıcı ve reaktif olur. Kullanıcıya tamamen deşarj olmuş ve atılabilir gibi görünse de, Li-ion piller sıklıkla önemli miktarda yük tutar ve bu bir tehlike oluşturur.

Ayrıca, hasar görmüş ve tam olarak kapatılmamış lityum piller, bertaraf sırasında suyla temas ederse son derece tehlikeli olabilir. Li-ion pillerdeki yüksek metal içeriği, ortadan kaldırılması zor ve çevreye zararlı olduğundan endişeyi artırır.

Bilimsel bir değerlendirme raporu, Li-ion pillerin yüksek alüminyum, kobalt ve bakır konsantrasyonları içerdiğini vurgulamıştır. Ek çalışmalar, kullanılmaz Li-ion pillerin kurşun içeriği nedeniyle (ortalama 6,29 mg/L; σ = 11,1; limit 5) tehlikeli olduğunu ortaya koymaktadır.

Kaliforniya düzenlemelerine göre, aşırı kobalt (ortalama 163.544 mg/kg; σ = 62.897; limit 8.000), bakır (ortalama 98.694 mg/kg; σ = 28.734; limit 2.500) ve nikel (ortalama 9.525 mg/kg; σ = 11.438; limit 2.000) seviyelerinin bulunması, tüm lityum pillerin tehlikeli olarak sınıflandırılmasını gerektirir.

Bu pillerdeki krom, kurşun ve talyumun çökeltilen konsantrasyonları da Kaliforniya Regülasyon Limitlerini aşmaktadır. İnsanlara ve çevremizdeki ekosisteme toksisite yaymanın yanı sıra, Li-ion piller kaynak tükenmesine de yol açmakta, bu da geleceğimiz için ciddi bir endişe oluşturmaktadır.

Batarya teknolojisi hakkında her şeyi öğrenmek için buraya tıklayın.

Kullanılamaz Pil Hücrelerini Nasıl Geri Dönüştürürüz?

Kullanılamaz pil hücrelerinin bertarafının oluşturduğu tehlikeler geri dönüşümü zorunlu kılar. Ancak, kullanılmaz bir pilin geri dönüşümü tehlikeli olabilir. Kullanılamaz pil hücrelerine uygun olmayan bir şekilde müdahale etmek kısa devre, yanma ve toksik gaz salınımına neden olabilir.

Temel, sadece kirliliği önlemekle kalmayıp aynı zamanda kritik malzemelerin sürdürülebilir ikincil akışını oluşturma fırsatları sunabilecek verimli geri dönüşüm yöntemlerinde yatar. Lityum-iyon pil geri dönüşümü için böyle verimli bir yöntem, Enerji Bakanlığı’nın Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’nda çalışan araştırmacılar tarafından geliştirilmiştir.

Çözüm, harcanmış pili doğal olarak turunçgillerde bulunan sitrik asit çözeltisine batırmayı içerir. Sitrik asit çözeltisi etilen glikole çözülür ve karışım, pilin pozitif yüklü elektrodu olan katottan metalleri ayırmak için son derece verimli bir ayırma ve geri kazanım sürecini yürütmeye yardımcı olur.

Katot için verimli bir geri kazanım süreci, katotun kritik malzemeler içermesi nedeniyle pil maliyetinin %30’undan fazlasını oluşturduğu için pil maliyetlerini düşürür. Geri dönüşüm yöntemi, sistemi kirletmeden katottan neredeyse tüm kobalt ve lityumu çözebilir. Saatler içinde %96’dan fazla kobalti geri kazanabilir. Asit seviyelerini manuel olarak dengelemek için daha fazla kimyasal eklemeye gerek yoktur.

Projenin baş araştırmacısı Lu Yu’ya göre:

 “Bu, bir çözüm sisteminin hem leşleme hem de geri kazanım fonksiyonlarını kapsadığı ilk seferdir.”

Bu tür laboratuvar temelli araştırma çabalarının yanı sıra, gelecekte üretime ölçeklendirilecek olan, birkaç şirket zaten kullanılmaz ve bertaraf edilmiş lityum-iyon pillerin geri dönüşüm işiyle ilgilenmektedir. Aşağıdaki bölümlerde bunlardan bazılarına göz atacağız.

1. American Battery Technology Company

American Battery Technology Company (ABAT ), kullanılabilir ömrünün sonuna yaklaşan pillerden kritik malzemeleri ayırmak ve geri kazanmak için kapalı döngü bir pil geri dönüşüm süreci geliştirdi. Ancak, çabaları yalnızca ayırma ve geri kazanımla sınırlı kalmıyor.

Süreç, bu pil metalleri aynı ya da daha yüksek kalite standartlarına göre arıtmayı içerir. Şirkete göre, sistemi birden fazla rekabet avantajına sahiptir. Stratejik tasarımı, yüksek sıcaklık operasyonlarını sıfıra indirir ve hava ve sıvı kirletici emisyonlarını önler. Ayrıca, geri dönüşüm tesisleri üretim tesislerinin kapasitesine eşdeğer olup, minimum atık üretir ve kurulum için düşük sermaye maliyetleri gerektirir.

Şirketin yayımladığı 2024 mali raporunun İlk Çeyreği, gelir getiren operasyonlara yönelik kilit kilometre taşlarını listeledi. Özellikle, şirket ilk ticari ölçekli geri dönüşüm tesisini tasarlamış, devreye almış ve operasyonlarını başlatmış; bu tesis yıllık nominal 20.000 metrik ton kapasiteye sahiptir.

Şirket ayrıca sözleşme kapsamında iki ABD DOE hibesi aldı ve yakın zamanda iki ek hibe için uygun hale gelerek toplam 70 milyon ABD doları tutarında federal sözleşmeli fon sağladı. 21 Eylül 2023’te hisselerini başarıyla listeleyerek Nasdaq’ta işlem görmeye başladı.

Yazı yazıldığı sırada, American Battery Technology Company’nin hisse fiyatı 3,99 $ ve piyasa değeri 188 milyon $’ın üzerindeydi.

2. Lithion Technologies

Lithion Technologies, Li-ion pillerden stratejik malzemeleri sürdürülebilir bir şekilde üretmektedir. Teknolojisi, bu pillerin bileşenlerinin %95’ine kadarını geri kazanabilmektedir.

Mekanik ekstraksiyonda, Lithion mineral konsantrelerinin %98’inden fazlasını geri kazanabilir. Kritik mineral konsantresi, patentli hidrometalurji teknolojisiyle işlenir. Bu süreç, lityum, kobalt, nikel, grafit ve manganez gibi temel malzemelerin geri kazanımını sağlar.

Özellikle, Lithion teknolojilerinin geleneksel madencilik çıkarımına kıyasla çok daha düşük çevresel etki yarattığını iddia etmektedir. Sera gazı emisyonları madencilik çıkarımına göre %75 daha azdır ve su kullanımını etkileyici bir şekilde %90 azaltır.

Nisan 2022’de Lithion, Quebec hükümetinden 22,5 milyon dolar finansman aldı; bu, Investissement Québec aracılığıyla şirketin sermaye hisselerine 15 milyon dolarlık öz sermaye yatırımı ve Fonds d’électrification et de changements climatiques’tan 7,5 milyon dolarlık hibe içerir.

3. Ecobat

Ecobat, geri dönüşüm enerji depolama çözümlerinin bir parçası olarak ömrünün sonundaki pilleri yönetmek için 65.000 toplama noktasından oluşan geniş bir ağ üzerinden faaliyet göstermektedir. Şimdiye kadar yaklaşık 15.000 üye ya da müşteri kazanmış ve yılda 120 milyon pil geri dönüştürmektedir.

Belirlenen noktalardan toplama için Ecobat, 100 araçlık kendi filosuna sahiptir. 11 eritme tesisiyle lityum piller, kurşun piller ve diğer pil kimyalarıyla ilgilenir. Ecobat ayrıca, geri kazanımının %80’inin pil üretimine geri döndüğü kapalı döngü bir döngüsel geri kazanım sürecine sahiptir. %99 geri dönüştürülebilirlik oranı vaat etmektedir.

Ecobat, kendisini ‘pil işini daha güvenli ve döngüsel bir enerji ekonomisi için daha sürdürülebilir hâle getirerek temel enerji depolama ihtiyaçlarını karşılayan dünyanın en büyük pil geri dönüştürücüsü’ olarak tanımlamaktadır. 2021 yılında, Ecobat’ın kurşun-asit pil geri dönüşüm işi, 70 milyon otomobil pilini tamamen geri dönüştürmüştür.

4. Cirba Solutions

Cirba Solutions, Battery Solutions, Heritage Battery Recycling ve Retriev Technologies adlı üç marka altında toplam 60 yıllık geri dönüşüm deneyimine sahiptir. Kendi pil geri dönüşüm ekibi, pil odaklı lojistiği, kapalı döngü yaşam döngüsü ve lityum işleme tesisleriyle lityum pil geri dönüşümünün öncülerinden biridir.

Şirket, kobalt bazlı ve kobalt dışı bileşenler için çapraz kimyasal çözümler içeren özel bir geri dönüşüm sürecine sahiptir. Şu ana kadar, 30 yılı aşkın sürede 36 milyon pound’tan fazla lityum-iyon işledi.

En son mevcut verilere göre, Cirba, 9 Şubat 2023’teki son kurumsal turunda 50 milyon ABD doları topladı.

Kullanılamaz Pil Hücrelerinin Bertarafı: Gelecek Kapsamı

Elektrikli araçları çalıştırmak ve modern tüketici elektroniğini güçlendirmek için gerekli olan lityum-iyon pillerin varlığı giderek daha yaygın hale gelecektir. İstatistiksel olarak, 2022 ile 2030 arasında küresel lityum-iyon pil talebi neredeyse yedi kat artarak 2030’da 4,7 TWh seviyesine ulaşacaktır.

Üretim açısından, Çin dünya kapasitesinin üçte üçünden fazlasını kontrol etmektedir. Kuzey Amerika ve Avrupa da üretimde önemli bir artış hedeflediği için uzun süre geride kalmayacaklardır. Bu nedenle, pil geri dönüşümünün erişilebilir ve sürdürülebilir bir süreç haline gelmesini sağlamak için birleşik ve iyi koordine edilmiş küresel çabalar gereklidir; ancak ancak o zaman dünyayı kirlilik ve kaynak tükenmesi risklerinden koruyabiliriz.

Örneğin Çin, otomobil üreticilerini araç pillerinin “ömür sonu tedavisi”nden sorumlu tutmaktadır. Avrupa Birliği de benzer şekilde, pillerin toplanması ve geri kazanımı için standartlar belirlemiştir.

Bu pillerin ikinci yaşam uygulamalarındaki giderek artan yenilikler, verimsiz geri dönüşümün doğuracağı yakın tehlikeleri önlemeye yardımcı olacaktır. Bir örnekle sonlandıralım. Amsterdam’daki Johan Cruijff Arena’daki bir enerji depolama sistemi, 4.200 güneş panelinden enerji toplamak ve 3 megawatt güce kadar depolamak için 148 yeni ve kullanılmış Nissan LEAF piline eşdeğer bir kapasite kullanmaktadır. Bu enerji, yedekleme amacıyla yarım milyon iPhone’u şarj edecek kadar yeterlidir.

Sonuç olarak, küresel ölçekte hedeflere ulaşmak herkesin aktif katılımını gerektirir. Otomotiv şirketleri, tüketici elektroniği üreticileri, küresel ekonomik kurumlar, ulusların konseyleri – hepsi kullanılmaz pil hücrelerinin sürdürülebilir ve verimli geri dönüşümü ve geri kazanımına seslerini vermek zorundadır.

EV’lerin sadece dünyaya yardımcı olmakla kalmayıp aynı zamanda hayatları da kurtarabileceğini öğrenmek için buraya tıklayın.