Как на самом деле работает переработка аккумуляторов?

Батарея электромобиля, отслужившая свой срок, уходит «на пенсию», когда её ёмкость падает примерно на 70–80% ниже исходной: уменьшающийся запас хода фактически делает невозможными дальние поездки. Но история этой батареи на этом не заканчивается. Пакет разбирается, ячейки разделяются, а содержащиеся в них литий, никель, кобальт и медь с помощью химических процессов извлекаются и превращаются в сырьё для новых ячеек. Короче говоря, отработавшая свой срок батарея EV - это не отходы, а руда с высокой серой стоимостью; а процесс переработки представляет собой инженерно дисциплинированную цепочку, состоящую из этапов разрядки, разборки, измельчения и химического извлечения.

Сначала безопасность: этап разрядки и разборки

Когда батарея EV попадает на перерабатывающее предприятие, в ней запасена энергия на уровне сотен вольт. Поэтому первое звено цепочки - это всегда электрическая разрядка: никакая разборка не начинается, пока оставшаяся в батарее энергия не будет безопасно сброшена. Затем следует инспекция; химический состав, состояние и конструкция пакета регистрируются.

Сама разборка следует определённому порядку: сначала сканирование этикеток и снятие крышек, затем отделение кабелей и электронных компонентов, и наконец - спуск от пакета к модулям, а от модулей - к ячейкам. Это даёт хорошее представление о том, насколько трудоёмка эта работа на самом деле. Винты закреплены с помощью стопорных соединений, высоковольтные кабели зафиксированы на корпусе, а архитектура пакета у каждого производителя своя. Поэтому ведутся интенсивные исследования автоматизированных методов разборки, таких как лазерная резка; а сложное откручивание винтовых соединений - само по себе отдельное направление технических разработок.

То, что разборка является подготовительным этапом химического извлечения, не случайно: когда компоненты разделены на ранней стадии, последующие химические процессы работают гораздо эффективнее. После разделения ячеек переходит к механической обработке (дроблению и измельчению), в результате чего получается гранулированный материал, содержащий активные материалы катода и анода, который называется чёрной массой . Чёрная масса - экономически ключевой момент переработки: содержащаяся в ней металлическая ценность определяет рентабельность процесса.

Пирометаллургия: плавка при высоких температурах и её цена

Пирометаллургия, как и следует из названия, основана на нагреве. Она состоит из трёх этапов: обжиг, плавка и рафинирование. Материалы литиево-ионных батарей 1200–1600°C попадают в печи в этом диапазоне; в некоторых процессах температура плавления поднимается до 1700°C. В результате кобальт, медь и никель собираются в виде металлического сплава.

Подлинная сила метода - гибкость: независимо от химии батареи и происхождения сырья он может перерабатывать смешанные потоки отходов. Но цена серьёзна. Литий, алюминий и марганец переходят в шлак и экономически не извлекаются; графит и электролит уничтожаются в процессе сгорания. К тому же этот энергоёмкий процесс производит прямые выбросы CO2: при пирометаллургической переработке кобальта выбросы от сжигания графита, растворителя и сепараторных плёнок измеримы; при тех же условиях прямое воздействие гидрометаллургии на выбросы остаётся ничтожным. Проблемные газовые выбросы, такие как соединения фтора, - ещё один риск, которым этот метод должен управлять.

Гидрометаллургия: более 95% извлечения с помощью водной химии

Гидрометаллургия использует вместо нагрева водную химию: катодный материал растворяется в растворе, содержащем кислоту или щёлочь, и металлы поочерёдно разделяются. Процесс состоит из трёх основных этапов: выщелачивание (растворение), очистка раствора и извлечение металлов. Наиболее распространённый выщелачивающий реагент - разбавленная серная кислота; также используются соляная и азотная кислоты. Более экологичные альтернативы, такие как органические кислоты и глубокие эвтектические растворители, активно испытываются.

На этапе очистки применяются жидкостная экстракция, химическое осаждение, ионный обмен и фильтрация; при выделении кобальта и никеля жидкостная экстракция особенно критична. На последнем этапе с помощью электролитического осаждения получают металы чистотой свыше 99% Металлы получают методом электровыделения. Для металлов, не подходящих для электровыделения, используются такие методы, как осаждение с регулированием pH, кристаллизация (так получают карбонат лития) и цементация.

Результаты говорят сами за себя: этот процесс, работающий при температуре ниже 100°C, может обеспечить превышающую 98% степень извлечения для меди, никеля и лития. Коммерческие предприятия сообщают, что в среднем извлекают 95% никеля, кобальта, лития и меди из отслуживших свой срок EV-батарей; некоторые предприятия производят никель-кобальт-марганец чистотой свыше 99,5%, делая материал пригодным для непосредственного использования в производстве новых элементов. Организация Объединённых Наций определяет этот метод как самую экологичную из доступных сегодня технологий переработки батарей. Более 95% мировых мощностей по переработке уже составляют гидрометаллургические предприятия. Широко распространяются и системы замкнутого водоснабжения; многие предприятия работают без образования сточных вод, удерживая воду и катодный материал в замкнутом цикле.

Два метода рядом: в чём различия?

Сравнение не должно приводить к выводу о ненужности пирометаллургии. Наиболее эффективный подход - обычно сочетание двух методов: пирометаллургия грубо сводит смешанный и загрязнённый лом к ценному промежуточному продукту, а гидрометаллургия очищает этот промежуточный продукт и превращает его в конечный металл. Многие крупные предприятия сегодня работают именно по такой гибридной цепочке.

Прямая переработка: один шаг от ячейки к катоду

Новый подход отказывается от сведения материала к составляющим его элементам. Прямая переработка обновляет материал, сохраняя инженерную структуру катода и анода: с помощью таких процессов, как долитирование (релитиация), изношенный катод вновь превращается в материал аккумуляторного качества. Для катода выделяют три основные стратегии: твёрдофазное спекание, регенерацию на основе растворов и метод расплавленных солей; среди применяемых также техники химической и электрохимической релитиации.

Логика этого подхода измерима: по сравнению с традиционными методами он требует на 80-90% меньше энергии и, поскольку не производит разложения на молекулярном уровне, даёт наименьшее количество отходов. На коммерческой стороне сегодня представлены процессы, превращающие чёрную массу примерно за 12 часов в катодный активный материал-предшественник (pCAM) аккумуляторного качества. В последнее время появились и одношаговые методы прямой переработки; цель - оценить материалы, не сводя их полностью к химическим компонентам.

Главное ограничение метода - операционное: он может эффективно обрабатывать одновременно лишь одну химию аккумуляторов и требует однородного сырья. В реальном мире лом, поступающий на предприятие, смешанный - NMC, LFP и пакеты разных производителей встречаются на одном выходе. Поэтому системы автоматической идентификации и сортировки химии считаются предварительным условием прямой переработки. Центр ReCell Министерства энергетики США сосредоточен на выведении метода на коммерческий масштаб благодаря работам по снижению стоимости разборки, автоматической сортировке и обновлению катодов. Рынок же сегодня всё ещё очень мал: предполагается, что в 2026 году рынок прямой переработки составит примерно 34 миллиона долларов . Позиционирование, подчёркнутое на второй Конференции по прямой переработке аккумуляторов Fraunhofer в 2026 году, вписывается в эту рамку: метод будет скорее дополнять устоявшиеся методы, чем заменять их.

Чище, чем добыча? Сравнение затрат и углеродного следа

Настоящий соперник переработки - рудная добыча, и это сравнение измеримо чётко. Анализ жизненного цикла в промышленном масштабе, проведённый Стэнфордом, показывает, что извлечение критических металлов при переработке имеет заметно меньшее воздействие на окружающую среду по сравнению с первичной добычей: в сравнениях выделяются на 61% меньше углерода, на 83% меньше энергии и на 79% меньше потребления воды . Это напрямую отражает экологическую стоимость металла, извлечённого из ячейки, а не из скважины.

Экономическая сторона читается схожим образом. Производственная стоимость аккумуляторных ячеек составляет около 95 $/кВт·ч , тогда как стоимость переработки ниже 9 $/кВт·ч остаётся; то есть переработка снижает воздействие ячеек на окружающую среду, не ломая структуру общих затрат. Масштаб потенциала тоже впечатляет: по расчётам, в сценарии, при котором весь литий, кобальт и никель из EV-батарей в конце срока службы перерабатываются, ежегодная экономия к 2040 году может достигнуть 25 миллиардов долларов -

Почему мощность переработки отстаёт от продаж EV?

Ответ на этот вопрос во многом скрыт в календаре. Срок службы EV-батареи в автомобиле составляет примерно 12 лет ; крупная волна продаж середины 2010-х ещё не достигла конца срока службы. То есть объём отработанных батарей, который должны обрабатывать сегодняшние предприятия, всё ещё мал по сравнению с будущим объёмом. Модели отражают эту реальность: вклад переработки в снабжение материалами сможет ускориться по мере исчерпания срока службы первого большого поколения EV, то есть после 2040 года, и с этого момента переработка сможет покрывать 50–100% потребности в материалах для батарей. Ожидается также, что уровень извлечения никеля, кобальта и марганца в зависимости от химии вырастет с нынешнего диапазона 30–45% до 50–100%.

В этой картине есть поразительный контраст: в США перерабатывается 99% свинцово-кислотных батарей, тогда как глобальный уровень переработки литий-ионных батарей, экономическая ценность которых в два-десять раз выше, остаётся в диапазоне 2–47% . Секрет успеха свинцово-кислотного сегмента - десятилетиями отлаженная сеть сбора и переработки; в литий-ионном сегменте эта инфраструктура ещё строится. Между тем стоит отметить, что утверждение "перерабатывается только 5% EV-батарей" - распространённый в интернете миф, а некоторые аналитики оценивают глобальный показатель примерно в 59% - разница объясняется тем, какие потоки батарей (производственные отходы, пакеты в конце срока службы, повреждённые пакеты) включаются в подсчёт. Общий знаменатель таков: при любом определении показатель низкий, и для закрытия растущего дефицита мощностей нужна серьёзная волна инвестиций.

Конец цепочки: новая ячейка, старый металл

Весь процесс переработки ставит цель создания настоящей замкнутой цепи: никель, кобальт и литий, извлечённые из пакетов, отслуживших свой срок, после очистки перерабатываются в новый катодный материал, и этот материал поступает в производство новых элементов. Сегодня предприятия могут восстанавливать металлы с чистотой более 99,5%, иными словами, ячейка, оставшаяся от прошлого, может стать сырьём для ячейки завтрашнего дня. Ожидается, что новые подходы, такие как регенеративная электро-гидрометаллургия, с использованием электрического тока в качестве катализатора вместо химических добавок сделают этот цикл ещё чище. По мере diversификации химических составов батарей и исчерпания срока службы пакетов первого поколения переработка превратится в источник материалов, независимый от добычи - технические основы уже готовы сегодня.

Источники

• Как работает передовая технология переработки батарей
• Гидрометаллургическая и пирометаллургическая переработка батарей
• Гидрометаллургический процесс переработки: этапы, преимущества, проблемы
• Исследование процесса переработки батарей и оценки рисков
• Систематический обзор разборки литий-ионных батарей
• Сравнение жизненного цикла промышленной переработки литий-ионных батарей
• Переработка литий-ионных батарей приносит значительные выгоды
• Затраты, углеродный след и воздействие переработки батарей на окружающую среду
• Переработка батарей и спрос на критически важные материалы в электромобильности
• Как переработка батарей электромобилей может восполнить будущий дефицит минерального сырья
• Прямая переработка материалов литий-ионных батарей
• Переработка батарей необходима для удовлетворения растущего спроса на электромобили
• Какая доля литий-ионных батарей перерабатывается?
• 2-я конференция по прямой переработке батарей