Екологічні аспекти та переробка різних типів акумуляторів

Свинцево-кадмієві акумулятори

Свинцево-кадмієві акумулятори становлять найбільшу проблему для навколишнього середовища, настільки, що нікель-кадмієві акумулятори були заборонені в Європі у 2009 році. Робляться спроби також заборонити свинцеві акумулятори, але відповідної заміни немає, як це було у випадку заміни нікель-кадмію на нікель-металгідридні. Вперше літій-іонні акумулятори були додані до списку забруднювачів. Цей хімічний елемент класифікувався як лише слаботоксичний, але його величезна кількість вимагає ретельнішого вивчення.

Свинцево-кислотні акумулятори

Свинцево-кислотні акумулятори проклали шлях до успіху переробки, і сьогодні понад 97 відсотків цих акумуляторів переробляється в США. Слід віддати належне автомобільній промисловості за ранню організацію переробки; однак рушійною силою могли бути бізнес-причини, а не екологічні проблеми. Процес переробки простий, і 70 відсотків ваги акумулятора складається з повторно використовуваного свинцю.

Свинцево-кислотні акумулятори AGM/GEL

Надійні свинцево-кислотні акумулятори для максимальної ефективності роботи

Акумулятор Victron 12V/110Ah GEL Deep Cycle

 Є ідеальним вибором для застосувань, що вимагають надійного, довговічного і глибоко розрядного джерела живлення

Купити

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

Завдяки технологіям електрохімії, цей акумулятор витримує до 300 циклів розряду до 100%, що робить його відмінним для автономних електричних систем

Купити

AGM акумулятор BB Battery MPL55-12 (12В 55Аг)

 AGM VRLA батарея з високим струмом розряду, спеціально розроблена для критичних навантажень у системах ДБЖ, телекомунікаціях та енергетиці.

Купити

Подивитися більше

Понад 50 відсотків свинцю постачається з перероблених батарейок. Інші типи батарейок не такі економічні для переробки та не повертаються так легко, як свинцево-кислотні. Кілька організацій працюють над програмами, щоб зробити збір усіх батарейок зручним. Наразі переробляється лише від 20 до 40 відсотків батарейок у мобільних телефонах та інших споживчих товарах. Мета переробки — запобігти потраплянню небезпечних матеріалів на звалища та використовувати отримані матеріали у виробництві нових продуктів.

Безпечне поводження з батарейками

Використані батарейки слід вивезти з дому. Відомо, що старі первинні елементи можуть протікати та завдавати шкоди навколишньому середовищу. Не зберігайте старі свинцево-кислотні батарейки там, де граються діти. Навіть дотик до свинцевих полюсів може бути шкідливим. Також тримайте батарейки-ґудзики прихованими від маленьких дітей, оскільки вони можуть їх проковтнути.

Незважаючи на свою екологічну небезпеку, свинцево-кислотні акумулятори продовжують займати сильну нішу на ринку, особливо як стартерні акумулятори. Системи колісної мобільності та ДБЖ не могли б працювати так економічно, якби не цей надійний акумулятор. Нікель-кадмієві акумулятори також продовжують займати вирішальне місце серед акумуляторних акумуляторів, оскільки великі затоплені нікель-кадмієві акумулятори запускають реактивні літаки та рухають екскурсійні човни в річках великих міст. Хоча вони й не забруднюють навколишнє середовище, їхня популярність скорочується.

Батарейки з токсичними речовинами й надалі залишатимуться з нами, і немає нічого поганого в їх використанні, якщо їх правильно утилізувати. Кожен хімічний склад батарейок має свою власну процедуру переробки, і процес починається зі сортування батарейок за правильними категоріями.

Свинцево-кислотні акумулятори: Переробка свинцево-кислотних акумуляторів розпочалася з появою стартерних акумуляторів у 1912 році. Процес простий та економічно ефективний, оскільки свинець легко видобувати та можна використовувати повторно багато разів. Це призвело до появи багатьох прибуткових підприємств та переробки інших акумуляторів.

Рисунок 1: Свинцево-кислотні акумулятори є найбільш перероблюваними. Переробка є прибутковою 

Наприкінці 2013 року плавильні заводи почали повідомляти про збільшення кількості змішування літій-іонних акумуляторів зі свинцево-кислотними, особливо у стартових акумуляторах. Це може спричинити пожежі, що призведе до вибуху та травм. Зовнішній вигляд свинцево-кислотних та літій-іонних акумуляторів схожий, і сортування у великих обсягах створює труднощі. Для споживачів акумулятор є акумулятором, і люди схильні переробляти всі акумулятори, не кажучи вже про хімічний склад. Оскільки все більше свинцево-кислотних акумуляторів замінюється літій-іонними, проблема лише загострюватиметься. З 2010 по 2013 рік спостерігається 10-кратне збільшення кількості зареєстрованих випадків проникнення свинцево-кислотних акумуляторів у літій-іонні акумулятори.

Зверніть увагу, що літій-іонний акумулятор є більш летким після очищення, ніж свинцево-кислотний. Попереднє сортування проводиться з міркувань безпеки, а не для відділення небезпечних матеріалів. Свинцево-кислотний акумулятор є доброякісним, але токсичним, літій-іонний — незлоякісний, але вибухонебезпечний.

Товариство автомобільних інженерів (SAE) та Міжнародна електротехнічна комісія (IEC) ініціюють дії шляхом підвищення обізнаності, навчання працівників, ідентифікації та маркування акумуляторів. Досліджуються рентгенівські технології для розділення акумуляторів, і ставиться питання: «Хто несе відповідальність?». Виробники акумуляторів покладають відповідальність на переробників, які, у свою чергу, стверджують, що тягар та екологічність продукту має нести виробник. Суди можуть стати арбітрами.

Інші типи акумуляторів

Нікель-кадмій: коли нікель-кадмієві акумулятори утилізують недбало, металевий циліндр елемента зрештою кородує на сміттєзвалищі. Кадмій розчиняється та просочується у водопостачання. Щойно починається забруднення, влада безпорадна, щоб зупинити цю бійню. У наших океанах вже є сліди кадмію (разом з аспірином, пеніциліном та антидепресантами), але вчені не впевнені в його походженні.

Акумулятори NiCd

Надійні нікель-кадмієві акумулятори для резервного живлення та побудови великих енергетичних систем

EBH10 / KHP10 1,2В 10Аг – NiCd акумулятор нікель-кадмієвий

Надійна робота при високих розрядних струмах. Стійкість до перезаряду, глибокого розряду та ударів

Купити

SEBM20 / KMP20 1,2В 20Аг – NiCd акумулятор нікель-кадмієвий

Герметичний корпус з клапаном — обслуговування 1 раз на 3–5 років. Надійна конструкція з довговічністю до 20+ років

Купити

EBM700 / KMP700 1,2В 700Аг – NiCd акумулятор нікель-кадмієвий

Серія акумуляторів EBM/KMP оптимізована роботу при розрядах від 30 хвилин до 2 годин, але може виконувати задачі при більш тривалих розрядах

Купити

Подивитися більше

Нікель-металгідридні: нікель та електроліт у NiMH є напівтоксичними. Якщо в певному районі немає служби утилізації, окремі NiMH акумулятори можна викидати разом з іншими побутовими відходами в невеликих кількостях; однак, якщо у вас 10 або більше акумуляторів, користувачеві слід розглянути можливість утилізації їх на безпечному сміттєзвалищі. Кращою альтернативою є відвезення використаних акумуляторів до місцевого контейнера для переробки.

Літієві батареї: ці батареї містять металевий літій, який бурхливо реагує при контакті з вологою та потребує належної утилізації. Якщо їх викинути на сміттєзвалище в зарядженому стані, важке обладнання, що працює зверху, може пошкодити корпуси, а відкритий літій може спричинити пожежу. Пожежі на сміттєзвалищі важко загасити, і вони можуть горіти роками під землею. Перед переробкою повністю розрядіть батареї, щоб витратити вміст літію. Літієві батареї (літій-металеві) використовуються у військових боях, а також у годинниках, датчиках, слухових апаратах та резервному копіюванні пам'яті. Літій-металевий різновид також служить лужною заміною у форматах AAA, AA та 9V. Літій-іонні батареї для мобільних телефонів та ноутбуків не містять металевого літію.

Акумулятори LiFePO4

Надійні літій-залізо-фосфатні акумулятори для сонячних та резервних систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Аг)

Компактний акумулятор із вбудованим BMS для безпечної роботи у сонячних та резервних системах.

Купити

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Сучасна літій-залізо-фосфатна батарея (LiFePO4) з вбудованим BMS і захистом від перевантаження

Купити

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

 Високоякісне джерело енергії з довгим терміном служби, високою безпекою та сумісністю з екосистемою Victron Energy

Купити

Подивитися більше

Літій-іонний: літій-іонний акумулятор є досить нешкідливим, але використані елементи слід утилізувати належним чином. Це робиться не стільки для вилучення цінних металів, як у випадку зі свинцево-кислотними акумуляторами, скільки з екологічних міркувань, особливо з огляду на зростання їх обсягів, що використовуються в споживчих товарах. Літій-іонний акумулятор містить шкідливі елементи, рівень токсичності яких відповідає рівню електронних пристроїв.

Зі зростанням використання літій-іонних акумуляторів, у звіті Європейської Комісії під назвою «На шляху до акумуляторів майбутнього» містяться попередження щодо великої кількості акумуляторів, термін служби яких закінчується. У Європі літій-іонні акумулятори не можна викидати на сміттєзвалища через токсичність та небезпеку вибуху, а також їх не можна спалювати, оскільки попіл на сміттєзвалищах також токсичний. Викликає занепокоєння кобальт та речовини, що зв'язують матеріали електродів разом.

У звіті свинцево-кислотні акумулятори більше не називаються найтоксичнішими. Свинцево-кислотні – єдині акумулятори, які можна вигідно переробляти. Оскільки майже 100% свинцево-кислотних акумуляторів переробляється, увага зміщується на літій-іонні акумулятори через зростання обсягів та вартості відновлюваних матеріалів.

Згідно зі звітом ATZ (2018), літій-іонний тяговий акумулятор ємністю 33 кВт·год електромобіля BMW i3 містить 2 кг (4,4 фунта) кобальту, 6 кг (13 фунтів) літію, 12 кг (26 фунтів) марганцю, 12 кг (26 фунтів) нікелю та 35 кг (77 фунтів) графіту. Не всі отримані матеріали можуть досягти якості акумуляторного класу після переробки, але отримані ресурси можна використовувати для менш вимогливих цілей. Літій також використовується як мастило.

Досягається прогрес, і компанія Duesenfeld GmbH демонструє інноваційний метод, який використовує на 70% менше енергії для переробки літій-іонних акумуляторів порівняно з традиційними плавильними печами. На рисунку 2 зображено завод з переробки акумуляторів для електромобілів у Німеччині.

Рисунок 2: Завод з переробки акумуляторів для електромобілів у Німеччині 

Переробка літій-іонних акумуляторів

Процес переробки літій-іонних акумуляторів зазвичай починається з деактивації, що включає повний розряд, щоб видалити накопичену енергію та запобігти несподіваній тепловій події. Електроліт також можна заморозити, щоб запобігти електрохімічним реакціям під час процесу дроблення. Дюзенфельд запатентував процес, який випаровує та відновлює органічні розчинники електроліту у вакуумі шляхом конденсації. Вважається, що цей процес не утворює токсичних вихлопних газів. На рисунку 3 техніки розбирають акумулятори електромобілів для переробки.

Рисунок 3: Переробка літій-іонного акумулятора електромобіля в контейнері

Наступні етапи поділяються на механічну, пірометалургійну та гідрометалургійну обробку. Механічна обробка включає подрібнення елементів акумулятора, пірометалургійна обробка дозволяє витягти метали шляхом термічної обробки; а гідрометалургія включає водні процеси.

Після розбирання сортування розділяє мідну фольгу, алюмінієву фольгу, сепаратор та матеріали покриття. Нікель, кобальт та мідь можна переробити з виливка, але літій та алюміній залишаються в шлаку. Для відновлення літію необхідний гідрометалургійний процес. Він включає вилуговування, екстракцію, кристалізацію та осадження з рідкого розчину. Гідрометалургійна обробка використовується для відновлення чистих металів, наприклад, літію, отриманого з відокремлених матеріалів покриття після механічних процесів або зі шлаку в пірометалургійних процесах.

Бельгійська компанія Umicore використовує піч для безпосереднього плавлення акумуляторів, щоб витягти 95% кобальту, нікелю та міді. Після печі Umicore застосовує спеціальний процес промивання газом для очищення токсичних продуктів спалювання від фторвмісних вихлопних газів.

Щоб зменшити небезпеку пожеж під час процесу переробки, невеликі переробники спалюють літій-іонні акумулятори зовні на спеціальних установках для обробки відходів, перш ніж проводити механічне розділення.

У Дюзенфельді в Німеччині акумулятори розряджаються, подрібнюються в інертній атмосфері, випаровуються та повторно конденсуються органічні розчинники електроліту, а також відокремлюється матеріал покриття електродів від решти. Потім метали вилуговуються з колишніх активних матеріалів. Графіт фільтрується та відновлюється, після чого виробляються карбонат літію, сульфат нікелю, сульфат кобальту та сульфат марганцю. Цей процес переробки дає більше металів, ніж термічний метод Umicore. Також зменшується викиди CO2, водночас економлячи енергію та зменшуючи утворення небезпечних газів.

Рисунок 4: Перероблений графіт з літій-іонних акумуляторів 

Рисунок 5: Перероблений літій-карбонат з літій-іонних акумуляторів

• 1-хвилинний відеоролик на YouTube: Екологічно чиста переробка літій-іонних акумуляторів з Duesenfeld
• 4-хвилинне відео на YouTube: Екологічно чистий метод переробки акумуляторів електромобілів

Лужні батарейки

Лужні: Після зниження вмісту ртуті в лужних батареях у 1996 році, багато територій тепер дозволяють утилізувати ці батарейки як звичайне побутове сміття, проте Каліфорнія вважає всі батарейки небезпечними відходами. У Європі свинцево-кислотні, нікель-кадмієві, ртутьвмісні батарейки, несортовані колекції різних типів батарейок та електроліти для батарейок вважаються небезпечними відходами. Всі інші можуть вважатися безпечними. Більшість магазинів, що продають батарейки, також зобов'язані приймати повернення використаних батарейок. Лужні батарейки містять матеріали повторного використання цинку та марганцю, але процес їх вилучення є обтяжливим. Докладаються зусилля для збільшення переробки лужних елементів з низьких 4 відсотків у 2015 році до 40 відсотків у 2025 році.

У Північній Америці компанії Retriev Technologies, раніше Toxco, та Rechargeable Battery Recycling Corporation (RBRC) збирають відпрацьовані батареї та переробляють їх. Хоча Retriev має власні переробні заводи, RBRC відповідає за збір батарей та їх відправку до організацій з переробки. Retriev у місті Трейл, Британська Колумбія, стверджує, що є єдиною компанією у світі, яка переробляє великі літієві батареї. Вони отримують відпрацьовані батареї з нафтових бурових свердловин у Нігерії, Індонезії та інших місцях. Вони також переробляють списані літієві батареї з ракетних шахт Minuteman та тонни літій-іонних батарей, що залишилися після військових дій. Інші підрозділи Retriev переробляють нікель-кадмієві, нікель-металгідридні, свинцеві, ртутні, лужні та інші акумулятори.

Європа та Азія також активно займаються переробкою відпрацьованих батарейок. Серед інших компаній з переробки, Sony та Sumitomo Metal у Японії, а також Umicore у Бельгії, розробили технологію для вилучення кобальту та інших дорогоцінних металів з відпрацьованих літій-іонних батарейок. 

Компанія Umicore використовує процеси надвисокої температури (UHT) для переробки літій-іонних та нікель-металгідридних акумуляторів. Відпрацьовані батареї розбираються та плавляться в печі UHT. Осад розділяється на металевий сплав, що містить мідь, кобальт та нікель, і шлак – кам'янисті відходи, що містять рідкоземельні метали. Шлак можна додатково переробляти для отримання літію, але виробництво літію для акумуляторів поки що не є економічно вигідним, і шлак використовується в будівництві. Розробляються методи вилучення літію для переробки на карбонат літію для виробництва літій-іонних акумуляторів. З огляду на очікуване 10-кратне зростання використання літій-іонних акумуляторів між 2020 і 2030 роками, повторне використання літію може стати економічно вигідним, тому метали знову потраплять у виробництво акумуляторів, подібно до свинцю для свинцево-кислотних акумуляторів.

Процес переробки

Переробка починається зі сортування акумуляторів за хімічним складом. Центри збору поміщають свинцево-кислотні, нікель-кадмієві, нікель-металгідридні та літій-іонні відходи у спеціально відведені бочки, мішки або коробки. Переробники акумуляторів стверджують, що переробка може бути прибутковою, якщо забезпечити постійний потік акумуляторів, відсортованих за хімічним складом.

Процес переробки починається з видалення горючих матеріалів, таких як пластик та ізоляція, за допомогою газового термічного окислювача. Забруднюючі частинки, що утворюються в процесі горіння, видаляються скрубером заводу перед викидом в атмосферу. Це залишає чисті та оголені комірки з вмістом металу.

Потім клітини розрізають на дрібні шматочки та нагрівають, доки метал не розріджується. Неметалеві речовини спалюються, залишаючи зверху чорний шлак, який видаляє шлакоуловлювач. Сплави осідають залежно від ваги та знімаються, як вершки із сирого молока, ще в рідкому стані.

Кадмій відносно легкий і випаровується за високих температур. У процесі, який виглядає як каструля з киплячою водою, вентилятор видуває пару кадмію у велику трубку, яка охолоджується водяним туманом. Пари конденсуються, утворюючи кадмій, чистота якого становить 99,95 відсотка.

Деякі переробники не розділяють метали на місці, а виливають рідкі метали безпосередньо в те, що в галузі називають «чумками» (65 фунтів, 24 кг) або «кабаками» (2000 фунтів, 746 кг). Інші переробники акумуляторів використовують самородки (7 фунтів, 3,17 кг). Чумки, кабани та самородки відправляються на заводи з переробки металу, де їх використовують для виробництва нікелю, хрому та заліза для нержавіючої сталі та інших високоякісних виробів.

Щоб зменшити ймовірність реактивної події під час дроблення, деякі переробники використовують рідкий розчин або заморожують літієві акумулятори рідким азотом, однак змішування літій-іонних стартерних акумуляторів зі звичайними свинцево-кислотними акумуляторами все ще залишається проблемою, оскільки заряджений літій-іонний акумулятор набагато вибухонебезпечніший, ніж свинцево-кислотний.

Переробка акумуляторів є енергоємною. Звіти показують, що для відновлення металів з деяких перероблених акумуляторів потрібно від 6 до 10 разів більше енергії, ніж для видобутку з видобутку корисних копалин. Винятком є ​​свинцево-кислотні акумулятори, з яких свинець можна легко витягти та повторно використовувати без складних процесів. Певною мірою нікель з нікель-металогідридних акумуляторів також можна відновити економічно, якщо він доступний у великих кількостях

Електрохімічна переробка

Розробляються нові методи переробки, які витягують метали шляхом електролізу, також відомі як хімічна переробка. Цей процес вважається більш економічно ефективним і дає вищі виходи з меншою кількістю забруднюючих речовин, ніж традиційне плавлення. Одну з таких альтернатив переробці свинцево-кислотних акумуляторів розробила компанія Aqua Metals. Ця технологія має потенціал для революції в традиційних методах плавлення. Електрохімічний процес розділяє свинець, розбиваючи метали на наночастинки, які диспергуються у воді для створення гідроколоїдного металу. Цей процес називається AquaRefining. Технічні проблеми наразі затримують повне впровадження.

Правила та вартість

Кожна країна встановлює власні правила та додає тарифи до ціни придбання нового акумулятора, щоб зробити переробку можливою. У Північній Америці деякі заводи з переробки виставляють рахунки за вагою, а ставки варіюються залежно від хімічного складу. Хоча NiMH-акумулятори дають досить хороший прибуток від нікелю, відпрацьований NiCd-акумулятор менш попитний через ціни на м’який кадмій. Через низьку вартість вилучення металу, літій-іонні акумулятори мають вищу плату за переробку, ніж більшість інших типів акумуляторів.

Переробка літій-іонних акумуляторів поки що не є прибутковою та повинна субсидуватися урядом. Існує стимул для відновлення дорогого кобальту . На сьогодні не існує технології переробки, яка б здатна виробляти достатньо чистий літій для повторного використання в акумуляторах. Літій для акумуляторів видобувається; вживаний літій використовується для мастильних матеріалів, скла, кераміки та інших застосувань.

Фіксована вартість переробки тонни акумуляторів становить від 1000 до 2000 доларів; Європа сподівається досягти вартості за тонну в 300 доларів. В ідеалі, це включатиме транспортування, але очікується, що переміщення та обробка товарів подвоїть загальну вартість. Для спрощення транспортування Європа створює кілька менших переробних заводів у стратегічних географічних місцях. Частково це пов'язано з Базельською конвенцією, яка забороняє експорт повних, але відпрацьованих свинцево-кислотних акумуляторів. Зі збільшенням обсягу викиданих акумуляторів випробовуються нові технології, щоб зробити переробку прибутковою без підтримки агентств та урядів.