Litijum, energija i životna sredina: Najvažnije pitanje o baterijama na koje nemamo odgovor

Dok tiho zujanje električnih vozila postepeno zamenjuje obrtaje i štetna isparenja motora sa unutrašnjim sagorevanjem, brojne promene će se provući kroz naš poznati svet.

Preovladavajući miris benzinskih pumpi će nestati u stanicama za punjenje bez mirisa gde automobili mogu ponovo napuniti svoje baterije po potrebi.

U međuvremenu, gradilišta generatora na gas koja su široko rasprostranjena mogu biti naknadno opremljena za smeštaj ogromnih baterija koje bi jednog dana mogle da napajaju čitave gradove obnovljivom energijom.

• „Najviše se plašim države" - meštani sela u okolini Bora ostaju bez vode, dok im kuće pucaju
• Deponije u Srbiji: Ekološke tempirane bombe
• BBC na srpskom u 2021: Priče koje su obeležile prethodnih 12 meseci

Ova elektrificirana budućnost je mnogo bliža nego što mislite.

Dženeral Motors je ranije ove godine najavio da planira da prestane sa prodajom vozila na gas do 2035.

Audijev cilj je da prestane da ih proizvodi do 2033. godine, a mnoge druge velike automobilske kompanije slede taj primer.

U stvari, prema Blumberg NEF-u, dve trećine svetske prodaje putničkih vozila pokriće električni automobili do 2040.

A sistemi na elektro-mreži širom sveta brzo rastu zahvaljujući naprednoj tehnologiji skladištenja baterija.

Iako ovo može zvučati kao idealan put ka održivoj snazi i putovanju, postoji jedan veliki problem.

Trenutno, litijum (Li) jonske baterije su one koje se obično koriste u električnim vozilima, u mega baterijama za skladištenje energije iz obnovljivih izvora, a litijumske baterije je teško reciklirati.

Jedan od razloga je taj što najčešće korišćene metode recikliranja tradicionalnijih baterija, kao što su olovno-kiselinske baterije, ne funkcionišu dobro sa litijumskim baterijama.

One su obično veće, teže, mnogo složenije, pa čak i opasnije ako se pogrešno rastavljaju.

U prosečnoj fabrici za reciklažu baterija, delovi baterija se usitnjavaju u prah, a zatim se taj prah ili topi (pirometalurgija) ili rastvara u kiselini (hidrometalurgija).

Ali litijumske baterije se sastoje od mnogo različitih delova koji bi mogli eksplodirati ako se ne rastavljaju pažljivo.

Čak i kada se litijumske baterije pokvare na ovaj način, proizvode nije lako ponovo koristiti.

„Trenutni metod jednostavnog usitnjavanja svega i pokušaja prečišćavanja složene mešavine rezultira skupim procesima sa proizvodima niske vrednosti", kaže Endru Ebot, fizički hemičar sa Univerziteta u Lesteru.

Kao rezultat toga, više košta njihovo recikliranje nego iskopavanje više litijuma da bi se napravile nove.

Takođe, pošto veliki, jeftini načini za recikliranje litijumskih baterija zaostaju, samo oko pet odsto litijumskih baterija se reciklira na globalnom nivou, što znači da će većina jednostavno otići u otpad.

Ali kako potražnja za električnim vozilima eskalira, kao što se i predviđa, podsticaj da se više njih reciklira ide kroz industriju baterija i motornih vozila.

• Ekološki problem Zrenjanina koji se ne vidi, ali se oseća
• Jadarit, Rio Tinto i šta o tome treba da znate

Trenutni nedostaci u reciklaži litijumske baterije nisu jedini razlog zašto one predstavljaju problem za životnu sredinu.

Iskopavanje raznih metala potrebnih za litijumske baterije zahteva ogromne resurse.

Za iskopavanje jedne tone litijuma potrebno je 500.000 galona (2.273.000 litara) vode.

U čileanskim solanama Atakama, iskopavanje litijuma je povezano sa opadanjem vegetacije, višim dnevnim temperaturama i sve većim uslovima suše u područjima nacionalnih rezervata.

Dakle, iako električna vozila mogu pomoći u smanjenju emisije ugljen-dioksida (CO2) tokom svog životnog veka, baterija koja ih napaja počinje svoj životni vek opterećena velikim uticajem na životnu sredinu.

Međutim, ako se milioni i milioni litijumskih baterija, koje će se isprazniti posle otprilike deset godina upotrebe, učinkovitije recikliraju, to će pomoći da se neutrališe sav taj trošak energije.

Nekoliko laboratorija radi na usavršavanju efikasnijih metoda reciklaže, tako da će na kraju standardizovani, ekološki prihvatljiv način recikliranja litijumskih baterija biti spreman da zadovolji naglo rastuću potražnju.

„Moramo da pronađemo načine da uđemo u ono što nazivamo kružnim životnim ciklusom, jer litijum, kobalt i nikl zahtevaju mnogo struje i mnogo truda da bi bili iskopani, rafinisani i pretvoreni u baterije.

Ne možemo više da tretiramo baterije kao da su roba za jednokratnu upotrebu", kaže Širli Meng, profesorka energetskih tehnologija na Univerzitetu Kalifornije u San Dijegu.

• Zašto je stala najveća termoelektrana u Srbiji
• „Oterali smo strah": Kako su borci za reke sa Stare planine postali heroji ekološkog bunta u Srbiji

Kako reciklirati litijumske baterije

Ćelija litijumske baterije ima metalnu katodu ili pozitivnu elektrodu koja prikuplja elektrone tokom elektrohemijske reakcije, napravljenu od litijuma i neke mešavine elemenata koji obično uključuju kobalt, nikl, mangan i gvožđe.

Takođe ima anodu ili elektrodu koja oslobađa elektrone u spoljašnje kolo, napravljeno od grafita, separator i neku vrstu elektrolita, koji je medijum koji prenosi elektrone između katode i anode.

Joni litijuma koji putuju od anode do katode formiraju električnu struju.

Metali u katodi su najvredniji delovi baterije, i to je ono na šta se hemičari fokusiraju radeći na očuvanju i obnovi kada rastavljaju litijumsku bateriju.

Mengova kaže da litijusmku bateriju treba zamisliti kao policu za knjige sa mnogo slojeva, a litijum joni se brzo kreću preko svake police, vraćajući se svaki put do gornje police - proces koji se naziva interkalacija.

Posle godina i godina, polica za knjige prirodno počinje da se kvari i urušava.

Dakle, kada hemičari poput Mengove demontiraju litijumsku bateriju, to je vrsta degradacije koju vide u strukturi i materijalima.

„Zapravo možemo pronaći mehanizme koristeći toplotu ili neku vrstu hemijske metode obrade, možemo vratiti policu", kaže Mengova.

„Tako da možemo pustiti te reciklirane i obnovljene materijale da se vrate na montažnu traku u fabrike (litijumskih baterija) da bi se pretvorile u nove baterije."

• Gornje Nedeljice, dan posle povlačenja zakona: „Ništa nije gotovo, borba tek predstoji"
• Iz peći u pluća: Kako grejna sezona doprinosi zagađenosti vazduha

Poboljšanje recikliranja litijumske baterije i konačno omogućavanje višekratne upotrebe njihovih delova će im ponovo uneti vrednost koja već postoji.

Zbog toga se naučnici zalažu za direktan proces reciklaže koji Mengova opisuje - jer on može dati drugi život najdragocenijim delovima litijumskih baterija, poput katode i anode.

Ovo bi moglo značajno nadoknaditi energiju, otpad i troškove povezane sa njihovom proizvodnjom.

Ali rastavljanje litijumskih baterija se trenutno obavlja pretežno ručno u laboratorijskim postavkama, što će morati da se promeni ako bi se direktno recikliranje takmičilo sa tradicionalnijim metodama recikliranja.

„U budućnosti će biti potrebno više tehnologije u rastavljanju", kaže Ebot.

„Ako se baterija sastavlja pomoću robota, logično je da je treba rastaviti na isti način."

Ebotov tim u Institutu Faradej u Velikoj Britaniji istražuje robotsko rastavljanje litijumskih baterija u okviru ReLib projekta, koji je specijalizovan za reciklažu i ponovnu upotrebu litijumskih baterija.

Tim je takođe pronašao način da postigne direktnu reciklažu anode i katode pomoću ultrazvučne sonde, „poput onoga što zubar koristi za čišćenje zuba", objašnjava on.

„Proces usmerava ultrazvuk na površinu koja stvara sitne mehuriće koji implodiraju i razbacuju premaz sa površine."

Ovim postupkom izbegavate da se delovi baterije seckaju, što može otežati njihovo vraćanje.

Prema istraživanju Ebotovog tima, ovaj ultrazvučni metod reciklaže može da obradi sto puta više materijala tokom istog perioda od tradicionalnije hidrometalurške metode.

On kaže da se to takođe može uraditi za manje od polovine cene izrade nove baterije od prvobitnog materijala.

Ebot veruje da se proces može široko primeniti i koristiti na većim baterijama zasnovanim na mreži jer obično imaju istu strukturu ćelija baterije, samo sadrže više ćelija.

Međutim, tim ga trenutno primenjuje samo na proizvodni otpad, od kojeg se delovi lakše odvajaju, jer su već oslobođeni kućišta.

Ipak, timski testovi robotskog rastavljanja se povećavaju.

„Imamo demonstracionu jedinicu koja trenutno radi na celim elektrodama i nadamo se da ćemo u narednih osamnaest meseci moći da prikažemo automatizovani proces koji radi u proizvodnom pogonu", kaže Ebot.

• „Ugroženi su nam identitet i opstanak“
• Čovek koji spasava more - kako se italijanski ribar umetnošću bori za život u Mediteranu

Razgradive baterije

Neki naučnici se zalažu za udaljavanje od litijumskih baterija u korist onih koje se mogu proizvesti i razgraditi na ekološki prihvatljivije načine.

Džodi Lutkenhaus, profesorka hemijskog inženjerstva na Teksaškom A&M univerzitetu, radi na bateriji koja je napravljena od organskih supstanci koje se mogu razgraditi na komandu.

„Mnoge baterije danas se ne recikliraju zbog povezanih troškova energije i rada", kaže Lutkenhausova.

„Baterije koje se degradiraju na komandu mogu da pojednostave ili smanje barijeru reciklaži.

Na kraju, ovi proizvodi degradacije bi se mogli ponovo konstituisati u novu bateriju, zatvarajući petlju životnog ciklusa materijala."

To je fer argument s obzirom da, čak i kada se litijumska baterija demontira i njeni delovi remontuju, i dalje će postojati delovi koji se ne mogu sačuvati već će postati otpad.

Razgradiva baterija poput one na kojoj tim Lutkenhausove radi mogla bi biti održiviji izvor energije.

Organske radikalne baterije (ORB) postoje od 2000-ih i funkcionišu uz pomoć organskih materijala koji se sintetišu za skladištenje i oslobađanje elektrona.

„Organska radikalna baterija ima dva od ovih (materijala), oba deluju kao elektrode, koje rade zajedno da skladište i oslobađaju elektrone, ili energiju, zajedno", objašnjava Lutkenhausova.

Tim koristi kiselinu da razbije svoje organske radikalne baterije na aminokiseline i druge nusproizvode, međutim, uslovi moraju biti tačni da bi se delovi pravilno razgradili.

„Na kraju smo otkrili da kiselina na povišenoj toploti deluje", kaže Lutkenhausova.

Ipak, pred ovom razgradivom baterijom predstoji niz izazova.

Materijali potrebni za njenu izradu su skupi i tek treba da obezbedi količinu energije potrebnu za aplikacije visoke potražnje kao što su električna vozila i električne mreže.

Ali možda najveći izazov razgradivim baterijama je takmičenje sa već široko rasprostranjenom litijumskom baterijom.

• Priča o uglju, lignitu i zagađenju u Srbiji - sve što treba da znate
• Ljudi uništavaju šume i pretvaraju ih u emitere ugljenika

Sledeći korak za naučnike koji unapređuju direktnu reciklažu litijumskih baterija je rad sa proizvođačima baterija i postrojenjima za reciklažu kako bi se pojednostavio proces od izgradnje do kvara.

„Zaista ohrabrujemo sve proizvođače baterijskih ćelija da bar kodiraju sve baterije tako da pomoću robotskih tehnika veštačke inteligencije lako možemo da razvrstamo baterije", kaže Mengova.

„Potrebna je čitava oblast da međusobno sarađuje da bi se to ostvarilo."

Litijumske baterije se koriste za napajanje mnogih različitih uređaja, od laptopova preko automobila do električnih mreža, a hemijski sastav se razlikuje u zavisnosti od namene, ponekad značajno.

Ovo bi trebalo da se odrazi na način na koji se recikliraju.

Naučnici kažu da postrojenja za reciklažu baterija moraju da razdvoje različite litijumske baterije u zasebne tokove, slično kako se različite vrste plastike sortiraju kada se recikliraju, da bi proces bio najefikasniji.

Iako se suočavaju sa teškom bitkom, održivije baterije polako ali sigurno dolaze na scenu.

„Već vidimo da se na tržištu pojavljuju dizajni koji olakšavaju montažu i demontažu i verovatno će to biti važna tema u budućem razvoju baterija", kaže Ebot.

Na strani proizvodnje, proizvođači baterija i automobila rade na smanjenju materijala potrebnih za pravljenje litijumskih baterija kako bi se smanjila potrošnja energije tokom rudarenja i otpad koji svaka baterija stvara na kraju svog životnog veka.

Proizvođači električnih automobila su takođe počeli da ponovo koriste i menjaju sopstvene baterije na više različitih načina.

Na primer, Nisan obnavlja stare Lif automobilske akumulatore i stavlja ih u automatizovana vođena vozila koja donose delove u njegove fabrike.

• Ekološke katastrofe koje smo skoro rešili i šta smo naučili
• Dejvid Atenboro: Uradimo nešto odmah u borbi protiv klimatskih promena

Prepreke

Zbog stalno rastuće tržišne potražnje za električnim vozilima, kompanije automobilske industrije troše milijarde dolara na povećanje održivosti litijumskih baterija.

Međutim, Kina je trenutno daleko najveći proizvođač litijumskih baterija, a na vrhu je liste i kada je u pitanju njihova reciklaža.

Široko usvajanje standardizovanih metoda za reciklažu litijumskih baterija, koje uključuju sortiranje tokova za različite tipove, učiniće ih korak bliže.

U međuvremenu, korišćenje tehnologije veštačke inteligencije za obnovu najkorisnijih delova, kao što je katoda, moglo bi pomoći zemljama sa malim zalihama komponenti litijumske baterije da ne moraju toliko da se oslanjaju na Kinu.

Razvijanje novih baterija koje bi mogle biti konkurentne litijumskoj bateriji će verovatno uzdrmati industriju stvarajući zdravu konkurenciju.

„Mislim da će svet biti bolji ako diverzifikujemo ulaganje za skladištenje baterija, posebno za skladištenje na mreži", kaže Mengova.

Pojava manje složene, sigurnije baterije koju je jeftinije napraviti i koju je lakše rastaviti na kraju njenog životnog veka je krajnji odgovor na trenutni problem održivosti električnih vozila.

Ali sve dok se takva baterija ne pojavi, standardizovanje recikliranja litijumske baterije je značajan korak u pravom smeru.

A otprilike 2025, kada milioni baterija električnih vozila dođu do kraja svog početnog životnog ciklusa, pojednostavljeni proces reciklaže će izgledati mnogo privlačniji za privrede širom sveta.

Dakle, možda će, do trenutka kada električna vozila postanu preovlađujući oblik transporta, postojati dobre šanse da će se njihove baterije pripremiti za drugi život.

Pogledajte video o eko-protestima u Srbiji

Pratite nas na Fejsbuku i Tweets by bbcnasrpskom . Ako imate predlog teme za nas, javite se na [email protected]