Baterie litowo-jonowe wyzwaniem dla GOZ

Baterie litowo-jonowe wyzwaniem dla GOZ Toyota

Wysoki poziom recyklingu akumulatorów w naszym kraju może cieszyć. Oznacza to, że zarówno pod względem technologicznym, jak i organizacyjnym system zagospodarowania zużytych baterii samochodowych funkcjonuje prawidłowo. Obecnie wyzwaniem jest recykling akumulatorów litowo-jonowych, z którym coraz częściej przyjdzie nam się mierzyć wraz z rosnącą sprzedażą samochodów elektrycznych i hybrydowych.

  • Przepisy prawne a recykling baterii jonowo-litowych. Jak składować, jak przetwarzać te produkty? 
  • Akumulaor kwasowo-ołowiowy jako najlepiej recyklingowalny produkt na świecie.
  • Ustawa o bateriach i akumulatorach z 2009 r. (określenie min. poziomu zbiórki zużytych akumulatorów samochodowych i innych baterii), a konieczność jej aktualizacji o nowe normy.
  • Technologie hydrometalurgiczne i pirometalurgiczne najczęściej  stosowanymi metodami recyklingu baterii litowo-jonowych.

Bez sprawnych baterii nie ma co myśleć o jeździe samochodem. Niestety, ten element wyposażenia samochodów, bez względu na to, jakbyśmy o niego nie dbali, z biegiem czasu będzie się zużywał. To naturalne zużycie, które jest efektem ciągłego rozładowywania i ładowania baterii, a także np. eksploatacji w bardzo niskich bądź wysokich temperaturach.

Ze względu na to, że akumulator samochodowy zawiera liczne związki, które bardzo długo się rozkładają i mogłyby poważnie zaszkodzić środowisku naturalnemu, jest traktowany jako bomba biologiczna. Obowiązujące przepisy nakazują więc składowanie zużytych akumulatorów i ich recykling.

wykres_graficzny_recykling_akumulatorow

Źródło: Stowarzyszenie Producentów i Importerów Baterii i Akumulatorów.

Prawie 100% do odzysku

Recykling akumulatorów wpisuje się w model gospodarki o obiegu zamkniętym, której koncepcję można w skrócie opisać jako ponowne wykorzystywanie istniejących materiałów (po ich naprawie, odnowieniu czy recyklingu) tak długo, jak to tylko jest możliwe.

W efekcie maksymalnie ogranicza się powstawanie odpadów i wydłuża cykl życia wszystkich produktów. Jak przekonuje Agnieszka Włoszczyna, koordynator ds. PR w firmie Autopart, akumulator kwasowo-ołowiowy to do dziś najlepiej recyklingowalny produkt na świecie. – Niemal 100% akumulatora jest odzyskiwana i ponownie użyta, czy to w produkcji nowych akumulatorów, czy też innych produktów – np. z elektrolitu uzyskuje się kryształki siarczanu sodu potrzebne do wytworzenia detergentów czy nawozów – tłumaczy Włoszczyna.

I dodaje, że ołów oczywiście trafia do huty, bloki z polipropylenu także się przetwarza i uzyskuje z nich te same produkty. Takie możliwości sprawiają, że zużyty akumulator ma wartość, jest cennym odpadem. Potwierdzają to liczne badania. Badanie National Recycling Rate Study, wykonane w 2017 r. przez SmithBucklin Statistics Group na zlecenie Battery Council International, wykazało, że aż 99,3% akumulatorów na rynku amerykańskim poddaje się tam procesowi recyklingu.

Jest to najwyższy wskaźnik spośród popularnych grup produktów, które poddaje się recyklingowi (dla przykładu recyklingowi podlegało 68% gazet, 40,5% opon i 28% puszek aluminiowych). W Europie ok. 98% zużytych akumulatorów ołowiowo-kwasowych jest zbierana i poddawana recyklingowi.

Z każdego akumulatora tego typu można odzyskać ok. 90% zawartych w nim materiałów i ponownie wykorzystać. Szacuje się, że 75% ołowiu, który wykorzystuje się do produkcji nowych akumulatorów, pochodzi z odzysku.

Skuteczne przepisy 

Wysoki poziom recyklingu akumulatorów to również zasługa odpowiednio skonstruowanych przepisów. Na polskim rynku w tym zakresie funkcjonuje ustawa o bateriach i akumulatorach z 2009 r., która określa m.in. minimalne poziomy zbiórki zużytych akumulatorów samochodowych i innych baterii. Zgodnie z tymi regulacjami wszystkie zużyte baterie samochodowe powinny być przekazane do utylizacji.

W tym celu można je oddać albo do sprzedawcy akumulatorów, albo do specjalnych punktów zbiórki odpadów. Zawsze też istnieje możliwość pozostawienia zużytego akumulatora w warsztacie samochodowym. – Warto wyraźnie podkreślić, że zgodnie z obowiązującą w Polsce od 2009 r. ustawą o bateriach i akumulatorach na dystrybutorach i producentach ciąży obowiązek gromadzenia i utylizacji zużytych akumulatorów. Co za tym idzie, klient kupując nowy akumulator sygnowany logo Jenox lub innego producenta, powinien oddać zużyty akumulator do recyklingu. W innym przypadku klient zostanie obciążony opłatą depozytową. Na uwagę zasługuje fakt, że obecnie ponad 90% ołowiu wykorzystywanego do produkcji ogniw kwasowo-ołowiowych pochodzi z recyklingu. Jak wynika z raportu Eurostatu w latach 2009-2019 w Polsce udało się zebrać aż 72,6% zużytych akumulatorów, co plasuje nas na drugim miejscu w Europie – mówi Radosław Płowens, technolog produkcji w firmie Jenox Akumulatory.

3 metody recyklingu akumulatorów 

Żeby móc odzyskać do ponownego wykorzystania substancje, które wchodzą w skład akumulatorów, niezbędna jest odpowiednia obróbka tzw. odpadów akumulatorowych. Współczesne rozwiązania są już na tyle zaawansowane, że umożliwiają odzyskanie większości związków, jakie znajdują się w bateriach.

W praktyce stosuje się jedną z trzech podstawowych metod recyklingu akumulatorów. Dobór odpowiedniej zależy przede wszystkim od rodzaju akumulatora, w tym m.in. od tego, czy ogniwa się jednego typu, czy też mamy do czynienia z mieszaniną ogniw.

Metoda mechaniczna polega na rozdrobnieniu odpadów akumulatorowych w specjalnych urządzeniach (młynach) i rozdzieleniu powstałych w tym procesie frakcji (np. elementów plastikowych, papierowych). W metodzie hydrometalurgicznej konkretne substancje odzyskiwane są w wyniku rozpuszczenia odpadów w kwasach bądź zasadach. Z kolei metoda termiczna, która należy obecnie do najpopularniejszych sposobów utylizacji baterii samochodowych, polega na odzyskiwaniu związków z akumulatora w wyniku wytopienia metali w specjalnych piecach.

Recykling akumulatorów typu AGM lub EFB 

Rosnące wymagania rynku sprawiają, że w ofercie pojawiają się nowe typy akumulatorów samochodowych, które charakteryzują się m.in. dłuższą żywotnością. Tak jest w przypadku coraz popularniejszych baterii AGM (Absorbent Glass Mat) i EFB (Enhanced Flooded Battery). Czy nowe rozwiązania przekładają się na ich recykling?

Recykling akumulatorów typu AGM lub EFB nie różni się zasadniczo niczym od recyklingu standardowego akumulatora kwasowo–ołowiowego – przekonuje R adosław Płowens. – Inne właściwości i parametry pracy akumulatorów, takich jak Jenox AGM czy Jenox EFB, związane są z różnicami w konstrukcji i składzie masy czynnej takich baterii. Jak tłumaczy dalej ekspert, wszystkie akumulatory kwasowo-ołowiowe, niezależnie od technologii wykonania, składają się głównie z trzech podstawowych komponentów, które stanowią w 62–78% ołów, 14–27% roztwór kwasu siarkowego i 8–11% tworzywa sztuczne.

Z tego chociażby względu proces recyklingu akumulatorów kwasowo-ołowiowych jest bardzo efektywny, ponieważ możliwe jest odzyskanie prawie 99% ołowiu zawartego w akumulatorze i ponad 95% pozostałych komponentów. Co ważniejsze, akumulatory kwasowo-ołowiowe mogą być użytkowane praktycznie do oznak całkowitego zużycia, które uniemożliwia ponowne naładowanie ogniwa.

Na pewne różnice zwraca uwagę dr inż. Tomasz Doczekalski, dyrektor generalny/wiceprezes zarządu w firmie ZAP Sznajder Batterien. Według niego akumulatory EFB nie mają wpływu na proces recyklingu, natomiast akumulatory AGM aktualnie spowalniają mechaniczny rozdział akumulatorów na frakcje.

Na obecną chwilę trudno mówić o innym podejściu do recyklingu akumulatorów rozruchowych AGM, ponieważ nie podlegają one procesowi selektywnej zbiórki i trafiają do zakładu recyklingu zmieszane razem z akumulatorami z ciekłym elektrolitem – wyjaśnia Tomasz Doczekalski. – Zakładając wzrost udziału sprzedaży akumulatorów AGM do zastosowań rozruchowych, można się spodziewać za kilka lat innego podejścia do separowania akumulatorów lub innych rozwiązań w procesie ich mechanicznego rozdziału na frakcje. Akumulatory AGM oraz EFB nie wpływają natomiast na pozostałe procesy, tzn. na wytop ołowiu i rafinację. Nieco inna sytuacja jest z akumulatorami ołowiowo-kwasowymi typu trakcja i stacja. Z uwagi na obecność innych metali w łącznikach i wyprowadzeniach prądowych są one usuwane przed rozpoczęciem właściwych procesów recyklingu.

Co ze zużytymi bateriami li-ion?

O ile recykling tradycyjnych akumulatorów samochodowych nie stanowi dziś większego problemu, to wciąż sporo znaków zapytania pojawia się przy akumulatorach litowo-jonowych. Zużyte baterie li-ion wciąż są bowiem stosunkowo nowym odpadem akumulatorowym na rynku, dlatego procesy ich odzysku i recyklingu dopiero zostaną poddane sprawdzeniu w rzeczywistych warunkach rynkowych.

Znane dziś technologie recyklingu akumulatorów litowo-jonowych w większości przetestowano jedynie w sferze badań laboratoryjnych. A trzeba pamiętać, że bardzo dynamicznie wzrasta sprzedaż nowych samochodów z napędem elektrycznym i hybrydowym. Niebawem będą one dominować na drogach i z biegiem czasu coraz więcej pojazdów wyposażonych w tego typu baterie będzie wycofywanych z eksploatacji.

Szacuje się, że akumulatory li-ion (przy obecnym poziomie technologicznym) będą w stanie działać w zależności od warunków pracy przez 1700-5300 cykli ładowania i rozładowywania, co oznacza od 5 do 15 lat eksploatacji. – W przypadku baterii li-ion sytuacja jest dużo bardziej złożona. Spadek wydajności akumulatora li-ion poniżej 80% w pojazdach elektrycznych praktycznie wyklucza możliwość dalszego użytkowania takiej baterii. W tej sytuacji akumulatory tego typu znajdują inne zastosowania, np. jako magazyny energii, ponieważ liczba zakładów zajmujących się recyklingiem akumulatorów li-ion w Europie jest wciąż niewielka. Głównym celem takich zakładów jest odzysk metali takich jak kobalt, nikiel i magnez – mówi przedstawiciel firmy Jenox Akumulatory.

Technologie recyklingu akumulatorów litowo-jonowych 

Recykling baterii li-ion wpisuje się naturalnie w koncepcję zrównoważonego rozwoju i gospodarki o obiegu zamkniętym. Jest również istotny z tego względu, że umożliwia odzysk tzw. metali ziem rzadkich. Ze zużytych akumulatorów będzie można pozyskiwać wiele różnych metali, a także tworzywa sztuczne.

Do głównych elementów baterii li-ion należą bowiem:

  • stal,
  • aluminium,
  • mosiądz,
  • miedź,
  • kobalt,
  • lit,
  • mangan,
  • nikiel.

Znane dziś metody recyklingu akumulatorów litowo-jonowych można podzielić na procesy:

  • mechaniczne,
  • pirometalurgiczne,
  • hydrometalurgiczne.

Wciąż w fazie testowej znajduje się też sporo innych nowatorskich metod recyklingu. Niewykluczone, że niektóre z nich w przyszłości będą wykorzystywane na skalę przemysłową. Sporo dziś mówi się też o wykorzystaniu częściowo zużytych akumulatorów jako magazynów energii.

Z pewnością jest to pomysł na ponowne wykorzystanie tych baterii, choć trudno oczekiwać, żeby w ten sposób zagospodarowano wszystkie zużyte akumulatory z aut elektrycznych i hybrydowych. W każdej metodzie recyklingu akumulatorów litowo-jonowych pierwszym etapem jest ich głębokie rozładowanie i demontaż z samochodu.

Następnie ma miejsce mechaniczna obróbka, dzięki której można odzyskać część materiałów, które tworzą np. obudowę. Kolejnym krokiem jest zmielenie baterii za pomocą specjalnych urządzeń i oddzielenie poszczególnych frakcji. Uzyskaną w ten sposób masę poddaje się dalszej obróbce, która będzie się różnić w zależności od wybranej technologii recyklingu.

W metodzie hydrometalurgicznej do wyodrębnienia poszczególnych surowców wykorzystuje się odpowiednio dobrane roztwory zasadowe lub kwasy (tzw. ługowanie metali kwasami). W wyniku zachodzących reakcji udaje się odzyskać część surowców (w następstwie dodania np. kwasu siarkowego powstają siarczan cynku i manganu).

Zaletą tej metody jest możliwość odzyskania materiałów o dużym poziomie czystości. W tym celu stosuje się często kwasy organiczne (cytrynowy, askorbinowy lub asparaginowy). Metoda ta ma też wadę w postaci możliwości pojawienia się żrących materiałów, które również muszą zostać odpowiednio zutylizowane, żeby nie stanowiły zagrożenia dla środowiska.

Metoda pirometalurgiczna polega natomiast na odzyskiwaniu materiałów w procesie wytapiania odpadów akumulatorowych w specjalistycznych piecach. W metodzie tej możliwe jest oddzielenie od siebie metali o różnej temperaturze topienia. Umożliwia ona recykling akumulatorów różnego rodzaju, w tym zawierających elektrolit organiczny.

Jest niestety metodą o stosunkowo niskiej wydajności, która dodatkowo generuje powstawanie odpadów wtórnych. Różne firmy z branży przetwórstwa akumulatorów tworzą swoje autorskie metody recyklingu baterii na bazie dwóch wspomnianych technologii. Technologia Umicore polega np. na przetapianiu zużytych akumulatorów i ługowaniu ich kwasem w celu odzysku metali.

Z kolei metoda Sony-Sumitomo polega na spalaniu odpadów akumulatorowych w wysokiej temperaturze (1000oC). Pozostałą po spalaniu masę przetwarza się hydrometalurgicznie, w efekcie czego można odzyskać np. kobalt. W procesie Recupyl zużyte baterie są rozdrabnianie i kruszone, a uzyskane w ten sposób różne frakcje są następnie sortowane.

Proponowana przez Stena Recycling metoda opiera się na mieleniu akumulatorów w środowisku obojętnym. Uzyskana masa zostaje następnie poddana zaawansowanemu procesowi oddzielania różnych frakcji (tworzywa sztuczne, aluminium) w celu odzyskania metali szlachetnych. Z czarnej masy, która jest jedną z frakcji, w następnym etapie wyodrębnia się kolejne surowce, takie jak nikiel, kobalt czy lit.

Technologie hydrometalurgiczne i pirometalurgiczne, a także ich kombinacje, należą obecnie do najczęściej stosowanych metod recyklingu baterii litowo-jonowych. Powstaje wiele odmian tych metod, które są autorskimi procesami firm, zajmujących się recyklingiem baterii. Spory potencjał tkwi m.in. w metodzie z wykorzystaniem ultradźwięków o dużej mocy. Dzięki nim możliwe jest usuwanie materiałów z nierozdrobnionych elektrod kompozytowych.

Ultradźwięki mogą także wspomagać procesy hydrometalurgiczne. Wspomagają bowiem proces ługowania kwasem, co może przyczynić się do zwiększenia efektywności odzyku kobaltu i litu. Fale ultradźwiękowe dostarczają bowiem dużej ilości energii, która ułatwia rozpuszczanie zużytego materiału.

Obiecujące są również różne metody odzysku materiałów z zużytych akumulatorów, w których wykorzystuje się technologie biologiczne. Przykładem są bakterie kwasolubne, które biorą udział w procesie bioługowania, w efekcie którego odzyskiwane metale przenoszone są ze stany stałego w stan ciekły. W każdym przypadku dobór metody recyklingu zależy przede wszystkim od składu przetwarzanej baterii i możliwości technologicznych zakładu, który zajmuje się ich recyklingiem.

Recykling akumulatorów jest niezbędny w celu właściwego zagospodarowania zużytych baterii, jeśli chcemy dążyć do osiągnięcia neutralności klimatycznej. W przypadku tradycyjnych akumulatorów rozruchowych zarówno obecne technologie, jak i obowiązujący system ich gromadzenia wydają się dobrze realizować swoje zadanie. Obecnie wyzwaniem jest stworzenie podobnych mechanizmów dla akumulatorów litowo-jonowych, które już wkrótce będą dominować w branży akumulatorowej.

Zdaniem EXPERTów

Agnieszka_WloszczynaAgnieszka Włoszczyna
Koordynator ds. PR, AUTOPART 
System recyklingu w Polsce jest bardzo dobrze zorganizowany. Dzięki ustawie o bateriach i akumulatorach każdy kupujący zostawia zużyty produkt w miejscu zakupu lub płaci kaucję w wysokości 30 zł. Akumulator nie stanowi kłopotliwego odpadu. Pod względem zbiórki złomu akumulatorowego Polska jest w czołówce państw europejskich.

Radoslaw_PlowensRadosław Płowens
Technolog produkcji, Jenox Akumulatory 
W przypadku baterii li-ion sytuacja jest dużo bardziej złożona. Spadek wydajności akumulatora li-ion poniżej 80% w pojazdach elektrycznych praktycznie wyklucza możliwość dalszego użytkowania takiej baterii. W tej sytuacji akumulatory tego typu znajdują inne zastosowania, np. jako magazyny energii.

Tomasz Doczekalski
Dyrektor generalny/wiceprezes zarządu,
ZAP Sznajder Batterien
Zakładając wzrost udziału sprzedaży akumulatorów AGM do zastosowań rozruchowych, można się spodziewać za kilka lat innego podejścia do separowania akumulatorów lub innych rozwiązań w procesie ich mechanicznego rozdziału na frakcje.

Źródło: Materiały redakcyjne

O Autorze

Wojciech Traczyk

Redaktor miesięcznika „autoEXPERT”

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę