Экологические аспекты и переработка различных типов аккумуляторов

Свинцово-кадмиевые аккумуляторы

Свинцово-кадмиевые аккумуляторы представляют наибольшую проблему для окружающей среды, настолько, что никель-кадмиевые аккумуляторы были запрещены в Европе в 2009 году. Предпринимаются попытки также запретить свинцовые аккумуляторы, но подходящей замены нет, как это было в случае замены никель-кадмия на никель-металлгидридные. Впервые литий-ионные аккумуляторы были добавлены в список загрязнителей. Этот химический элемент классифицировался как лишь слаботоксичный, но его огромное количество требует более тщательного изучения.

Свинцово-кислотные аккумуляторы

Свинцово-кислотные аккумуляторы проложили путь к успеху переработки, и сегодня более 97 процентов этих аккумуляторов перерабатывается в США. Следует отдать должное автомобильной промышленности за раннюю организацию переработки; однако движущей силой могли быть бизнес-причины, а не экологические проблемы. Процесс переработки прост, и 70 процентов веса аккумулятора состоит из повторно используемого свинца.

Свинцово-кислотные аккумуляторы AGM/GEL

Надежные свинцово-кислотные аккумуляторы для максимальной эффективности работы

Аккумулятор Victron 12V/110Ah GEL Deep Cycle

Является идеальным выбором для применений, требующих надежного, долговечного и глубоко разрядного источника питания

Купить

Аккумулятор Victron AGM Super Cycle 12V 125Ah (M8)

Благодаря технологиям электрохимии, этот аккумулятор выдерживает до 300 циклов разряда до 100%, что делает его отличным решением для автономных электрических систем

Купить

AGM аккумулятор BB Battery MPL55-12 (12В 55Ач)

AGM VRLA батарея с высоким током разряда, специально разработанная для критических нагрузок в системах ИБП, телекоммуникациях и энергетике

Купить

Посмотреть больше

Более 50 процентов свинца поставляется из переработанных батареек. Другие типы батареек не так экономичны для переработки и не возвращаются так легко, как свинцово-кислотные. Несколько организаций работают над программами, чтобы сделать сбор всех батареек удобным. В настоящее время перерабатывается лишь от 20 до 40 процентов батареек в мобильных телефонах и других потребительских товарах. Цель переработки — предотвратить попадание опасных материалов на свалки и использовать полученные материалы в производстве новых продуктов.

Безопасное обращение с батарейками

Использованные батарейки следует вынести из дома. Известно, что старые первичные элементы могут протекать и наносить вред окружающей среде. Не храните старые свинцово-кислотные батарейки там, где играют дети. Даже прикосновение к свинцовым полюсам может быть вредным. Также держите батарейки-таблетки скрытыми от маленьких детей, так как они могут их проглотить.

Несмотря на свою экологическую опасность, свинцово-кислотные аккумуляторы продолжают занимать сильную нишу на рынке, особенно в качестве стартерных аккумуляторов. Системы колесной мобильности и ИБП не могли бы работать так экономично, если бы не этот надежный аккумулятор. Никель-кадмиевые аккумуляторы также продолжают занимать решающее место среди аккумуляторных батарей, поскольку большие залитые никель-кадмиевые аккумуляторы запускают реактивные самолеты и приводят в движение экскурсионные лодки в реках больших городов. Хотя они и не загрязняют окружающую среду, их популярность сокращается.

Батарейки с токсичными веществами и впредь будут с нами, и нет ничего плохого в их использовании, если их правильно утилизировать. Каждый химический состав батареек имеет свою собственную процедуру переработки, и процесс начинается с сортировки батареек по правильным категориям.

Свинцово-кислотные аккумуляторы: Переработка свинцово-кислотных аккумуляторов началась с появлением стартерных аккумуляторов в 1912 году. Процесс прост и экономически эффективен, поскольку свинец легко извлекать и можно использовать повторно много раз. Это привело к появлению многих прибыльных предприятий и переработке других аккумуляторов.

Рисунок 1: Свинцово-кислотные аккумуляторы являются наиболее перерабатываемыми. Переработка является прибыльной

В конце 2013 года плавильные заводы начали сообщать об увеличении случаев смешивания литий-ионных аккумуляторов со свинцово-кислотными, особенно в стартовых аккумуляторах. Это может вызвать пожары, что приведет к взрыву и травмам. Внешний вид свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов схож, и сортировка в больших объемах создает трудности. Для потребителей аккумулятор — это аккумулятор, и люди склонны перерабатывать все аккумуляторы, не говоря уже о химическом составе. Поскольку все больше свинцово-кислотных аккумуляторов заменяется литий-ионными, проблема будет только усугубляться. С 2010 по 2013 год наблюдается 10-кратное увеличение количества зарегистрированных случаев попадания литий-ионных аккумуляторов в потоки переработки свинцово-кислотных.

Обратите внимание, что литий-ионный аккумулятор более летуч после очистки, чем свинцово-кислотный. Предварительная сортировка проводится из соображений безопасности, а не для отделения опасных материалов. Свинцово-кислотный аккумулятор является доброкачественным, но токсичным, литий-ионный — незлокачественный, но взрывоопасный.

Общество автомобильных инженеров (SAE) и Международная электротехническая комиссия (IEC) инициируют действия путем повышения осведомленности, обучения работников, идентификации и маркировки аккумуляторов. Исследуются рентгеновские технологии для разделения аккумуляторов, и ставится вопрос: «Кто несет ответственность?». Производители аккумуляторов возлагают ответственность на переработчиков, которые, в свою очередь, утверждают, что бремя и экологичность продукта должен нести производитель. Суды могут стать арбитрами.

Другие типы аккумуляторов

Никель-кадмий: когда никель-кадмиевые аккумуляторы утилизируют небрежно, металлический цилиндр элемента в конечном итоге корродирует на свалке. Кадмий растворяется и просачивается в водоснабжение. Как только начинается загрязнение, власти бессильны остановить эту бойню. В наших океанах уже есть следы кадмия (вместе с аспирином, пенициллином и антидепрессантами), но ученые не уверены в его происхождении.

Аккумуляторы NiCd

Надежные никель-кадмиевые аккумуляторы для резервного питания и построения крупных энергетических систем

EBH10 / KHP10 1,2В 10Ач – NiCd аккумулятор никель-кадмиевый

Надежная работа при высоких разрядных токах. Устойчивость к перезаряду, глубокому разряду и ударам

Купить

SEBM20 / KMP20 1,2В 20Ач – NiCd аккумулятор никель-кадмиевый

Герметичный корпус с клапаном — обслуживание 1 раз в 3–5 лет. Надежная конструкция с сроком службы более 20 лет

Купить

EBM700 / KMP700 1,2В 700Ач – NiCd аккумулятор никель-кадмиевый

Серия аккумуляторов EBM/KMP оптимизирована для работы при разрядах от 30 минут до 2 часов, но может применяться и при более длительных нагрузках

Купить

Посмотреть больше

Никель-металлгидридные: никель и электролит в NiMH являются полутоксичными. Если в определенном районе нет службы утилизации, отдельные NiMH аккумуляторы можно выбрасывать вместе с другими бытовыми отходами в небольших количествах; однако, если у вас 10 или более аккумуляторов, пользователю следует рассмотреть возможность утилизации их на безопасной свалке. Лучшей альтернативой является отвоз использованных аккумуляторов в местный контейнер для переработки.

Литиевые батареи: эти батареи содержат металлический литий, который бурно реагирует при контакте с влагой и требует надлежащей утилизации. Если их выбросить на свалку в заряженном состоянии, тяжелое оборудование, работающее сверху, может повредить корпуса, а открытый литий может вызвать пожар. Пожары на свалке трудно потушить, и они могут гореть годами под землей. Перед переработкой полностью разрядите батареи, чтобы израсходовать содержимое лития. Литиевые батареи (литий-металлические) используются в военных боях, а также в часах, датчиках, слуховых аппаратах и резервном копировании памяти. Литий-металлический вариант также служит щелочной заменой в форматах AAA, AA и 9V. Литий-ионные батареи для мобильных телефонов и ноутбуков не содержат металлического лития.

Аккумуляторы LiFePO4

Надежные литий-железо-фосфатные аккумуляторы для солнечных и резервных систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Ач)

Компактный аккумулятор с встроенным BMS для безопасной работы в солнечных и резервных системах.

Купить

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Современная литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4) со встроенным BMS и защитой от перегрузки

Купить

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

Высококачественный источник энергии с длительным сроком службы, высокой безопасностью и совместимостью с экосистемой Victron Energy

Купить

Посмотреть больше

Литий-ионный: литий-ионный аккумулятор достаточно безвреден, но использованные элементы следует утилизировать должным образом. Это делается не столько для извлечения ценных металлов, как в случае со свинцово-кислотными аккумуляторами, сколько из экологических соображений, особенно с учетом роста их объемов, используемых в потребительских товарах. Литий-ионный аккумулятор содержит вредные элементы, уровень токсичности которых соответствует уровню электронных устройств.

С ростом использования литий-ионных аккумуляторов, в отчете Европейской Комиссии под названием «На пути к аккумуляторам будущего» содержатся предупреждения относительно большого количества аккумуляторов, срок службы которых подходит к концу. В Европе литий-ионные аккумуляторы нельзя выбрасывать на свалки из-за токсичности и опасности взрыва, а также их нельзя сжигать, поскольку пепел на свалках также токсичен. Вызывает беспокойство кобальт и вещества, связывающие материалы электродов вместе.

В отчете свинцово-кислотные аккумуляторы больше не называются самыми токсичными. Свинцово-кислотные – единственные аккумуляторы, которые можно выгодно перерабатывать. Поскольку почти 100% свинцово-кислотных аккумуляторов перерабатывается, внимание смещается на литий-ионные аккумуляторы из-за роста объемов и стоимости восстанавливаемых материалов.

Согласно отчету ATZ (2018), литий-ионный тяговый аккумулятор емкостью 33 кВт·ч электромобиля BMW i3 содержит 2 кг (4,4 фунта) кобальта, 6 кг (13 фунтов) лития, 12 кг (26 фунтов) марганца, 12 кг (26 фунтов) никеля и 35 кг (77 фунтов) графита. Не все полученные материалы могут достичь качества аккумуляторного класса после переработки, но полученные ресурсы можно использовать для менее требовательных целей. Литий также используется в качестве смазки.

Достигается прогресс, и компания Duesenfeld GmbH демонстрирует инновационный метод, который использует на 70% меньше энергии для переработки литий-ионных аккумуляторов по сравнению с традиционными плавильными печами. На рисунке 2 изображен завод по переработке аккумуляторов для электромобилей в Германии.

Рисунок 2: Завод по переработке аккумуляторов для электромобилей в Германии

Переработка литий-ионных аккумуляторов

Процесс переработки литий-ионных аккумуляторов обычно начинается с деактивации, что включает полный разряд, чтобы удалить накопленную энергию и предотвратить неожиданное тепловое событие. Электролит также можно заморозить, чтобы предотвратить электрохимические реакции во время процесса дробления. Дюзенфельд запатентовал процесс, который испаряет и восстанавливает органические растворители электролита в вакууме путем конденсации. Считается, что этот процесс не образует токсичных выхлопных газов. На рисунке 3 техники разбирают аккумуляторы электромобилей для переработки.

Рисунок 3: Переработка литий-ионного аккумулятора электромобиля в контейнере

Следующие этапы делятся на механическую, пирометаллургическую и гидрометаллургическую обработку. Механическая обработка включает измельчение элементов аккумулятора, пирометаллургическая обработка позволяет извлечь металлы путем термической обработки; а гидрометаллургия включает водные процессы.

После разборки сортировка разделяет медную фольгу, алюминиевую фольгу, сепаратор и материалы покрытия. Никель, кобальт и медь можно переработать из отливки, но литий и алюминий остаются в шлаке. Для восстановления лития необходим гидрометаллургический процесс. Он включает выщелачивание, экстракцию, кристаллизацию и осаждение из жидкого раствора. Гидрометаллургическая обработка используется для восстановления чистых металлов, например, лития, полученного из отделенных материалов покрытия после механических процессов или из шлака в пирометаллургических процессах.

Бельгийская компания Umicore использует печь для непосредственного плавления аккумуляторов, чтобы извлечь 95% кобальта, никеля и меди. После печи Umicore применяет специальный процесс промывки газом для очистки токсичных продуктов сгорания от фторсодержащих выхлопных газов.

Чтобы уменьшить опасность пожаров во время процесса переработки, небольшие переработчики сжигают литий-ионные аккумуляторы снаружи на специальных установках для обработки отходов, прежде чем проводить механическое разделение.

В Дюзенфельде в Германии аккумуляторы разряжаются, измельчаются в инертной атмосфере, испаряются и повторно конденсируются органические растворители электролита, а также отделяется материал покрытия электродов от остального. Затем металлы выщелачиваются из бывших активных материалов. Графит фильтруется и восстанавливается, после чего производятся карбонат лития, сульфат никеля, сульфат кобальта и сульфат марганца. Этот процесс переработки дает больше металлов, чем термический метод Umicore. Также уменьшаются выбросы CO2, одновременно экономя энергию и уменьшая образование опасных газов.

Рисунок 4: Переработанный графит из литий-ионных аккумуляторов

Рисунок 5: Переработанный литий-карбонат из литий-ионных аккумуляторов

• 1-минутное видео на YouTube: Экологически чистая переработка литий-ионных аккумуляторов с Duesenfeld
• 4-минутное видео на YouTube: Экологически чистый метод переработки аккумуляторов электромобилей

Щелочные батарейки

Щелочные: После снижения содержания ртути в щелочных батареях в 1996 году, многие территории теперь разрешают утилизировать эти батарейки как обычный бытовой мусор, однако Калифорния считает все батарейки опасными отходами. В Европе свинцово-кислотные, никель-кадмиевые, ртутьсодержащие батарейки, несортированные коллекции различных типов батареек и электролиты для батареек считаются опасными отходами. Все остальные могут считаться безопасными. Большинство магазинов, продающих батарейки, также обязаны принимать возврат использованных батареек. Щелочные батарейки содержат материалы повторного использования цинка и марганца, но процесс их извлечения является обременительным. Прилагаются усилия для увеличения переработки щелочных элементов с низких 4 процентов в 2015 году до 40 процентов в 2025 году.

В Северной Америке компании Retriev Technologies, ранее Toxco, и Rechargeable Battery Recycling Corporation (RBRC) собирают отработанные батареи и перерабатывают их. Хотя Retriev имеет собственные перерабатывающие заводы, RBRC отвечает за сбор батарей и их отправку в организации по переработке. Retriev в городе Трейл, Британская Колумбия, утверждает, что является единственной компанией в мире, которая перерабатывает большие литиевые батареи. Они получают отработанные батареи с нефтяных буровых скважин в Нигерии, Индонезии и других местах. Они также перерабатывают списанные литиевые батареи с ракетных шахт Minuteman и тонны литий-ионных батарей, оставшихся после военных действий. Другие подразделения Retriev перерабатывают никель-кадмиевые, никель-металлгидридные, свинцовые, ртутные, щелочные и другие аккумуляторы.

Европа и Азия также активно занимаются переработкой отработанных батареек. Среди других компаний по переработке, Sony и Sumitomo Metal в Японии, а также Umicore в Бельгии, разработали технологию для извлечения кобальта и других драгоценных металлов из отработанных литий-ионных батареек.

Компания Umicore использует процессы сверхвысокой температуры (UHT) для переработки литий-ионных и никель-металлгидридных аккумуляторов. Отработанные батареи разбираются и плавятся в печи UHT. Осадок разделяется на металлический сплав, содержащий медь, кобальт и никель, и шлак – каменистые отходы, содержащие редкоземельные металлы. Шлак можно дополнительно перерабатывать для получения лития, но производство лития для аккумуляторов пока не является экономически выгодным, и шлак используется в строительстве. Разрабатываются методы извлечения лития для переработки на карбонат лития для производства литий-ионных аккумуляторов. С учетом ожидаемого 10-кратного роста использования литий-ионных аккумуляторов между 2020 и 2030 годами, повторное использование лития может стать экономически выгодным, поэтому металлы снова попадут в производство аккумуляторов, подобно свинцу для свинцово-кислотных аккумуляторов.

Процесс переработки

Переработка начинается с сортировки аккумуляторов по химическому составу. Центры сбора помещают свинцово-кислотные, никель-кадмиевые, никель-металлгидридные и литий-ионные отходы в специально отведенные бочки, мешки или коробки. Переработчики аккумуляторов утверждают, что переработка может быть прибыльной, если обеспечить постоянный поток аккумуляторов, отсортированных по химическому составу.

Процесс переработки начинается с удаления горючих материалов, таких как пластик и изоляция, с помощью газового термического окислителя. Загрязняющие частицы, образующиеся в процессе горения, удаляются скруббером завода перед выбросом в атмосферу. Это оставляет чистые и оголенные ячейки с содержанием металла.

Затем ячейки разрезают на мелкие кусочки и нагревают, пока металл не разжижается. Неметаллические вещества сжигаются, оставляя сверху черный шлак, который удаляет шлакоуловитель. Сплавы оседают в зависимости от веса и снимаются, как сливки с сырого молока, еще в жидком состоянии.

Кадмий относительно легок и испаряется при высоких температурах. В процессе, который выглядит как кастрюля с кипящей водой, вентилятор выдувает пар кадмия в большую трубку, которая охлаждается водяным туманом. Пары конденсируются, образуя кадмий, чистота которого составляет 99,95 процента.

Некоторые переработчики не разделяют металлы на месте, а выливают жидкие металлы непосредственно в то, что в отрасли называют «чушками» (65 фунтов, 24 кг) или «кабанами» (2000 фунтов, 746 кг). Другие переработчики аккумуляторов используют самородки (7 фунтов, 3,17 кг). Чушки, кабаны и самородки отправляются на заводы по переработке металла, где их используют для производства никеля, хрома и железа для нержавеющей стали и других высококачественных изделий.

Чтобы уменьшить вероятность реактивного события во время дробления, некоторые переработчики используют жидкий раствор или замораживают литиевые аккумуляторы жидким азотом, однако смешивание литий-ионных стартерных аккумуляторов с обычными свинцово-кислотными аккумуляторами все еще остается проблемой, поскольку заряженный литий-ионный аккумулятор гораздо более взрывоопасен, чем свинцово-кислотный.

Переработка аккумуляторов является энергоемкой. Отчеты показывают, что для восстановления металлов из некоторых переработанных аккумуляторов требуется от 6 до 10 раз больше энергии, чем для добычи из месторождений. Исключением являются свинцово-кислотные аккумуляторы, из которых свинец можно легко извлечь и повторно использовать без сложных процессов. В определенной степени никель из никель-металлгидридных аккумуляторов также можно восстановить экономично, если он доступен в больших количествах.

Электрохимическая переработка

Разрабатываются новые методы переработки, которые извлекают металлы путем электролиза, также известные как химическая переработка. Этот процесс считается более экономически эффективным и дает более высокие выходы с меньшим количеством загрязняющих веществ, чем традиционное плавление. Одну из таких альтернатив переработке свинцово-кислотных аккумуляторов разработала компания Aqua Metals. Эта технология имеет потенциал для революции в традиционных методах плавления. Электрохимический процесс разделяет свинец, разбивая металлы на наночастицы, которые диспергируются в воде для создания гидроколлоидного металла. Этот процесс называется AquaRefining. Технические проблемы в настоящее время задерживают полное внедрение.

Правила и стоимость

Каждая страна устанавливает собственные правила и добавляет тарифы к цене приобретения нового аккумулятора, чтобы сделать переработку возможной. В Северной Америке некоторые заводы по переработке выставляют счета по весу, а ставки варьируются в зависимости от химического состава. Хотя NiMH-аккумуляторы дают достаточно хороший доход от никеля, отработанный NiCd-аккумулятор менее востребован из-за цен на мягкий кадмий. Из-за низкой стоимости извлечения металла, литий-ионные аккумуляторы имеют более высокую плату за переработку, чем большинство других типов аккумуляторов.

Переработка литий-ионных аккумуляторов пока не является прибыльной и должна субсидироваться правительством. Существует стимул для восстановления дорогого кобальта. На сегодня не существует технологии переработки, которая бы способна производить достаточно чистый литий для повторного использования в аккумуляторах. Литий для аккумуляторов добывается; использованный литий используется для смазочных материалов, стекла, керамики и других применений.

Фиксированная стоимость переработки тонны аккумуляторов составляет от 1000 до 2000 долларов; Европа надеется достичь стоимости за тонну в 300 долларов. В идеале, это будет включать транспортировку, но ожидается, что перемещение и обработка товаров удвоят общую стоимость. Для упрощения транспортировки Европа создает несколько меньших перерабатывающих заводов в стратегических географических местах. Частично это связано с Базельской конвенцией, которая запрещает экспорт полных, но отработанных свинцово-кислотных аккумуляторов. С увеличением объема выбрасываемых аккумуляторов испытываются новые технологии, чтобы сделать переработку прибыльной без поддержки агентств и правительств.