Предприятия по переработке литий-ионных аккумуляторов получают материалы из двух основных источников: бракованный металлолом от производителей аккумуляторов и так называемые "разряженные" батареи, в основном собираемые на рабочих местах. В процессе переработки из этих источников извлекаются литий, никель, кобальт, медь, марганец и алюминий.

Исследование количественно оценило воздействие этого процесса переработки на окружающую среду и показало, что при нем выделяется менее половины парниковых газов (ПГ) при традиционной добыче и рафинировании этих металлов и расходуется около четверти воды и энергии при добыче новых металлов. Экологические выгоды еще больше для потока металлолома, который составляет около 90% исследованных вторичных ресурсов и составляет: 19% выбросов парниковых газов при добыче и переработке, 12% потребления воды и 11% потребления энергии. Хотя это специально не измерялось, снижение энергопотребления также коррелирует с меньшим количеством загрязнителей воздуха, таких как сажа и сера.

"Это исследование говорит нам о том, что мы можем спроектировать будущее переработки аккумуляторов таким образом, чтобы оптимизировать экологические выгоды. Мы можем написать сценарий", - сказал Уильям Тарпе (бакалавр 12 лет), доцент кафедры химической инженерии в Инженерной школе и старший автор исследования.

Местоположение, местоположение

Воздействие переработки аккумуляторных батарей на окружающую среду в значительной степени зависит от местоположения перерабатывающего предприятия и источника электроэнергии.

"Завод по переработке аккумуляторных батарей в регионах, которые в значительной степени зависят от электроэнергии, вырабатываемой при сжигании угля, уменьшил бы климатические преимущества", - сказала Саманта Бунке, аспирантка Стэнфорда и один из трех ведущих исследователей исследования.

"С другой стороны, нехватка пресной воды в регионах с более чистым электричеством вызывает серьезную озабоченность", - добавил Бунке.

Большая часть данных исследования по переработке аккумуляторов была получена от компании Redwood Materials в Неваде - крупнейшего в Северной Америке предприятия по переработке литий-ионных аккумуляторов промышленного масштаба, которое извлекает выгоду из более чистого энергетического баланса западной части США, включающего гидроэнергетику, геотермальную и солнечную энергию.

Транспортировка также является решающим фактором. Например, при добыче и переработке кобальта 80% мировых запасов добывается в Демократической Республике Конго. Затем 75% поставок кобальта для аккумуляторов отправляется автомобильным, железнодорожным и морским транспортом в Китай для переработки. Между тем, большая часть мировых запасов лития добывается в Австралии и Чили. Большая часть этих поставок также поступает в Китай. Эквивалентным процессом утилизации аккумуляторных батарей является сбор использованных батареек и лома, которые затем должны быть отправлены на переработку.

"Мы определили, что общее расстояние транспортировки при обычной добыче и рафинировании только активных металлов в батарее составляет в среднем около 35 000 миль (57 000 километров). Это все равно что объехать вокруг света полтора раза", - сказал Майкл Мачала, доктор философии 17-го года, также ведущий автор исследования.

"По нашим оценкам, общий объем транспортировки использованных батареек от вашего мобильного телефона или электромобиля до гипотетического завода по переработке в Калифорнии составил около 140 миль (225 километров)", - добавил Мачала, который на момент проведения исследования был аспирантом Стэнфордского института энергетики Precourt, а в настоящее время является штатным научным сотрудником Исследовательский институт Toyota. Это расстояние было рассчитано исходя из предполагаемого оптимального расположения будущих нефтеперерабатывающих заводов на фоне большого количества перерабатываемых аккумуляторов в США.

Патентное преимущество

Экологические результаты Redwood не отражают общих экологических показателей зарождающейся отрасли по переработке отработанных аккумуляторов. Обычная пирометаллургия, ключевой этап рафинирования, является очень энергоемкой, обычно требующей температур более 2550 градусов по Фаренгейту (1400 градусов Цельсия).

Однако компания Redwood запатентовала процесс, называемый "восстановительным обжигом", который требует значительно более низких температур, не использует ископаемое топливо и дает больше лития, чем традиционные методы.

"В лабораториях, которые также работают при умеренных температурах и не сжигают ископаемое топливо, появляются другие пирометаллургические процессы, подобные процессу Редвуда", - сказал третий ведущий автор, Си Чен, постдокторант Стэнфорда во время исследований, а ныне доцент Городского университета Гонконга.

"Каждый раз, когда мы рассказывали о наших исследованиях, компании задавали нам вопросы и включали то, что мы находили, в более эффективные практики", - добавил Чен. "Это исследование может послужить основой для расширения деятельности компаний по переработке аккумуляторов, например, о важности выбора хороших мест для новых производств. Калифорния не обладает монополией на устаревающие литий-ионные аккумуляторы для мобильных телефонов и электромобилей."

Заглядывая в будущее

По словам старшего автора Тарпе, переработка аккумуляторов в промышленных масштабах растет, но недостаточно быстро.

"По прогнозам, в следующем десятилетии у нас закончатся новые запасы кобальта, никеля и лития. Вероятно, какое-то время мы будем просто добывать низкосортные минералы, но 2050 год и цели, которые мы ставим перед собой на этот год, не за горами", - сказал он.

В то время как в настоящее время в США перерабатывается около 50% доступных литий-ионных аккумуляторов, на протяжении десятилетий они успешно перерабатывали 99% свинцово-кислотных аккумуляторов. По словам Тарпе, учитывая, что использованные литий-ионные аккумуляторы содержат материалы, экономическая ценность которых в 10 раз выше, такая возможность является значительной.

"Для будущего со значительно увеличившимся запасом использованных батареек нам необходимо сегодня спроектировать и подготовить систему вторичной переработки от сбора до переработки обратно в новые батареи с минимальным воздействием на окружающую среду", - добавил он. "Надеюсь, производители аккумуляторов также будут уделять больше внимания возможности вторичной переработки в своих будущих проектах".