• Baterie Li-ion są obecnie najpopularniejszym rodzajem akumulatorów stosowanych nie tylko w pojazdach elektrycznych czy hybrydowych, ale też w różnych urządzeniach elektronicznych.
• W Polsce podstawy prawne w zakresie postępowania z bateriami i akumulatorami oraz ich odpadami zawarto w Ustawie o bateriach i akumulatorach.
• Odzysk materiałów, z których zbudowane są ogniwa, zwłaszcza cennych metali w nich zawartych, stanowi podstawę nowoczesnych systemów gospodarki odpadami.
• Technologie przemysłowe stosowane do recyklingu zużytych baterii i akumulatorów opierają się na trzech głównych metodach – mechanicznej, pirometalurgicznej i/lub hydrometalurgicznej.
• Najcenniejszym materiałem, który znajduje się we wszystkich bateriach, są metale – w najpopularniejszych ogniwach Li-ion będą to przede wszystkim lit, kobalt, ale także nikiel czy mangan.
• W praktyce przemysłowej często do magazynowania zużytych ogniw Li-ion stosuje się specjalistyczne systemy, odpowiednio przystosowane do tego celu.

Od mniej więcej 10 lat samochody elektryczne są powszechnie dostępne na rynku, a w ostatnim czasie ich popularność rośnie wykładniczo. Używanie tych aut może być tańsze niż eksploatacja samochodów z silnikami spalinowymi, a producenci często sięgają po argument, że „elektryk” ma o 1500 części mniej niż samochód z silnikiem spalinowym.

Mimo wspomnianych zalet samochodów elektrycznych należy pamiętać, że nadal mają one części mechaniczne, a ponadto pokaźną elektronikę mocy, inwertery i rozbudowaną elektronikę sterującą. Mają też podwójną instalację elektryczną – nisko- i wysokonapięciową.

Dodatkowo wyposażone są w systemy smarowania, chłodzenia, a w razie potrzeby również ogrzewanie. I nie chodzi tu o ogrzewanie pasażerów, lecz baterii zasilających silniki elektryczne. Baterie bowiem są elementem bardzo wrażliwym na zmiany temperatury, a w trakcie ładowania i rozładowywania wydzielają ciepło. Trzeba je od nich odebrać, aby zachować ich wysoką wydajność i zabezpieczyć przed uszkodzeniem.

Rosnąca liczba samochodów elektrycznych na drogach oznacza, że automatycznie coraz więcej tych samochodów ulega wypadkom czy jest wycofywana z ruchu. Ekolodzy alarmują, że już niebawem „zostaniemy zalani” tysiącami ton zużytych baterii trakcyjnych z samochodów elektrycznych. Będzie to środowiskowa bomba.

Producenci samochodów elektrycznych już zaczynają widzieć problem i dla baterii wycofanych z użycia znajdują drugie życie. Służą one do napędzania urządzeń transportu wewnętrznego w fabrykach, jako magazyny energii dla serwerów czy zasilacze awaryjne. Nie wszystko jednak da się użyć w łatwy sposób.

Największy zarzut kierowany w stronę producentów baterii i wyposażonych w nie samochodów dotyczy tego, że nie są ustandaryzowane ani nie przewiduje się ich łatwego recyklingu. Chodzi przede wszystkim o sposób wykonania baterii, ich obudowy i ich rozmieszczenie w samochodzie.

Na te zarzuty całkiem niedawno odpowiedziała Tesla. Podkreśliła, że może odzyskać 92% materiałów używanych do produkcji akumulatorów dla samochodów elektrycznych w nowych megafabrykach w Nevadzie oraz pod Berlinem. Dzięki temu Tesla staje się teraz producentem niklu, kobaltu i innych surowców. Zamiast wydobywać je w kopalniach, materiały wydobywane są ze zużytych akumulatorów. Według raportów w zakładach Tesli w 2020 r. odzyskano ze zużytych akumulatorów litowo-jonowych 1300 t niklu, 400 t miedzi i 80 t kobaltu.

O sposobach odzyskiwania materiałów z baterii stosowanych w samochodach elektrycznych rozmawiamy z dr inż. Weroniką Urbańską, adiunktem badawczo-dydaktycznym w Katedrze Inżynierii Ochrony Środowiska (Zespół Technologii Odpadów i Remediacji Gruntów) na Wydziale Inżynierii Środowiska na Politechnice Wrocławskiej.

Maciej Blum: Ogniwa litowo-jonowe dziś znajdują się praktycznie w każdym samochodzie hybrydowym czy elektrycznym. Czy tego typu ogniwa mają określony czas życia? Kiedy przestają być zdatne do użytku lub ich wydajność spada w takim stopniu, że eksploatacja przestaje być opłacalna?

Dr inż. Weronika Urbańska: Ogniwa Li-ion należą do baterii, które po rozładowaniu można ponownie naładować i w dalszym ciągu użytkować. Ten proces nie trwa oczywiście w nieskończoność, bo żadne działania nie zatrzymają efektu starzenia się baterii. Po pewnym czasie użytkowania jej efektywność nie jest więc tak wysoka jak pierwotnie.

Istotną kwestią jest dobranie odpowiedniego akumulatora do danego urządzenia, ale także umiejętne użytkowanie baterii, tak aby mogła służyć nawet do kilku lat. Każda bateria ładowalna może być ładowana wielokrotnie, ale określoną liczbę razy (są to tzw. cykle ładowania). Po wykonaniu określonej liczby cykli bateria nie będzie magazynować energii w takiej ilości, aby nasze urządzenie dalej sprawnie działało (łatwo to zauważyć np. w bateriach zasilających telefony komórkowe).

Należy także zwrócić uwagę, że np. w laptopach baterię tworzy kilka (zwykle 6–9) ogniw Li-ion – po zużyciu nawet tylko jednego ogniwa całość urządzenia będzie miała problem z działaniem bez dopływu prądu z dodatkowego źródła (czyli podłączonego zasilacza).

Media co chwilę informują, że „zaleje” nas powódź zużytych baterii litowo-jonowych. Wiąże się to z tym, że w samochodzie elektrycznym jest kilkaset kilogramów takich baterii, a właśnie kończy się eksploatacja pierwszych samochodów elektrycznych, które trafiają do stacji demontażu.

To prawda, baterie Li-ion są obecnie najpopularniejszym rodzajem akumulatorów stosowanych nie tylko w pojazdach elektrycznych czy hybrydowych, ale też w różnych urządzeniach elektronicznych (telefonach, laptopach). Według danych zawartych w raporcie¹ szacuje się, że w 2028 r. w użyciu będzie nawet 200 mln pojazdów elektrycznych, a w 2040 r. ich liczba wzrośnie do 900 mln.

Determinuje to przyrost liczby zużytych baterii Li-ion, których składowanie na składowisku jest zabronione. Odpady te należy odpowiednio przetwarzać ze względu na ich skład chemiczny (zawartość metali), ale także możliwość odzyskiwania składników, które można ponownie wykorzystać, np. do produkcji nowych ogniw.

Czy opracowano procedury, które określają sposób utylizacji akumulatorów litowo-jonowych lub odzysk surowców, z których są wykonane?

W Polsce podstawy prawne w zakresie postępowania z bateriami i akumulatorami oraz ich odpadami zawarto w Ustawie o bateriach i akumulatorach. Określono w niej wiele przepisów, w tym chociażby prawa i obowiązki podmiotów wprowadzających do obrotu, dystrybutorów i użytkowników baterii oraz podmiotów zbierających i przetwarzających ich odpady. Określono także zasady wprowadzania baterii oraz recyklingu tego typu odpadów. Ustawa jest transpozycją do polskiego prawa regulacji prawnych określonych w Dyrektywie 2006/66/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 6 września 2006 r., jednak ze względu na dynamiczny rozwój tego sektora Ustawa o bateriach i akumulatorach jest na bieżąco nowelizowana (ostatnio w 2020 r.).

Jakie są metody odzysku materiałów z baterii litowo-jonowych i czy każdy rodzaj baterii da się poddać tej samej procedurze?

Odzysk materiałów, z których zbudowane są ogniwa, zwłaszcza cennych metali w nich zawartych, stanowi podstawę nowoczesnych systemów gospodarki odpadami. Odpadowe ogniwa ładowalne, w tym litowo-jonowe, są z powodzeniem przerabiane w specjalnie zaprojektowanych do tego celu instalacjach przemysłowych na całym świecie. Daje to wartość dodaną przede wszystkim dla ochrony środowiska i bezpieczeństwa ekologicznego, ale również korzyści w wymiarze ekonomicznym, np. poprzez ponowne wykorzystanie odzyskanych surowców.

Technologie przemysłowe stosowane do recyklingu zużytych baterii i akumulatorów opierają się na trzech głównych metodach – mechanicznej, pirometalurgicznej i/lub hydrometalurgicznej.

Metody mechaniczne polegają głównie na czynnościach fragmentacyjnych i separacyjnych, w których wyniku wydzielane są poszczególne frakcje wchodzące w skład zużytej baterii. Są one wykorzystywane są do wstępnej obróbki strumienia zużytych ogniw, czyli poprzedzają kolejne, inne metody odzysku materiałowego – hydrometalurgiczne i/lub pirometalurgiczne.

Każda z wymienionych metod może zostać zastosowana do różnego rodzaju baterii (obecnie przetwarza się m.in. ogniwa pierwotne Zn-C, Zn-Mn, Zn-Air, ale też akumulatory kwasowo-ołowiowe, Ni-MH czy właśnie Li-ion). Wymagane jest jednak dobranie odpowiednich parametrów procesów dla danego typu ogniwa lub ogniw, które będą przetwarzane. Dla przykładu, ogniwa cynkowe moż­na przetwarzać razem, a baterie Li-ion są z reguły przetwarzane bez dodat­ku innych typów ogniw).

Ile materiału można odzyskać z baterii litowo-jonowych i czy już ktoś się tym zajmuje na skalę przemysłową (w celu recyklingu zużytych akumulatorów litowo-jonowych)? Jak te ilości mają się do ilości materiału koniecznego do produkcji baterii litowo-jonowych?

Najcenniejszym materiałem, który znajduje się we wszystkich bateriach, są metale – w najpopularniejszych ogniwach Li-ion będą to przede wszystkim lit, kobalt, ale także nikiel czy mangan. Szacuje się, że masa katodowa stanowi ok. 30–35% całkowitej masy ogniwa Li-ion a przy zastosowaniu odpowiednio zaprojektowanych metod odzyskiwania metali, ich wydzielenie może być nawet całkowite.

Otrzymane związki mogą posłużyć do produkcji nowych baterii. Dzięki temu znacznie ogranicza się zużycie naturalnych źródeł tych pierwiastków, które obecnie ulegają wyczerpywaniu. Takie działania wpisują się chociażby w zasady zrównoważonego rozwoju, ale także założenia modelu gospodarki o obiegu zamkniętym (GOZ / Circular Economy).

 Jakie są największe zagrożenia związane z odzyskiwaniem materiałów ze zużytych baterii litowo-jonowych?

Procesy odzysku metali ze zużytych baterii nie są procesami łatwymi. Muszą być przede wszystkim odpowiednio zaprojektowane i przebadane, a następnie stale kontrolowane pod względem działania i efektywności. Ważny jest także aspekt ekonomiczny – z jednej strony otrzymujemy produkty handlowe o wysokiej wartości rynkowej, z drugiej zaś trzeba ponosić koszty inwestycyjne i operacyjne.

Należy jednak pamiętać, że odpady te muszą być przetwarzane, nie tylko dlatego, że jest to opłacalne, ale przede wszystkim korzystne dla środowiska.

Jak używać i jak magazynować ogniwa, które wymontowano z samochodu elektrycznego?

Odpowiednie użytkowanie i magazynowanie ogniw Li-ion jest bardzo ważnym aspektem. „Zwykli” użytkownicy bardzo często o nim zapominają, bo po prostu nie są o tym dostatecznie poinformowani. Należy jednak pamiętać, że ogniwa Li-ion mogą stanowić obiekty stwarzające zagrożenie nie tylko dla środowiska, ale także właśnie dla bezpieczeństwa użytkowników.

Nieprawidłowe użytkowanie baterii Li-ion może doprowadzić np. do rozszczelnienia lub uszkodzenia baterii. W efekcie może dojść do samozapłonu ogniwa i/lub wydzielenia się toksycznych gazów w wyniku wyparowania ciekłego elektrolitu czy wydostania się szkodliwych substancji z wnętrza ogniwa.

W celu zminimalizowania wystąpienia takiego ryzyka trzeba przede wszystkim przestrzegać zaleceń producenta. Znajdą się wśród nich z pewnością ograniczanie ekspozycji na wysokie temperatury czy ochrona przed uszkodzeniami mechanicznymi – ogniwa nie należy samodzielnie rozkładać na części.

Ogólne zasady magazynowania ogniw są zawarte między innymi we wspomnianej już ustawie o bateriach i akumulatorach. Baterie te przede wszystkim podlegają selektywnej zbiórce, natomiast zgodnie z art. 14.1 ustawy o bateriach i akumulatorach: samo „magazynowanie i przetwarzanie zużytych baterii i zużytych akumulatorów w zakładach przetwarzania zużytych baterii lub zużytych akumulatorów powinny odbywać się w miejscach o utwardzonym, nieprzepuszczalnym podłożu, odpornych na działanie warunków atmosferycznych lub w odpowiednich pojemnikach nieprzewodzących prądu, odpornych na działanie substancji zawartych w bateriach lub akumulatorach oraz działanie warunków atmosferycznych”. Natomiast zgodnie z art. 14.5. ww. ustawy: „Zużyte baterie i zużyte akumulatory przeznaczone do przetwarzania i recyklingu mogą być magazynowane nie dłużej niż przez okres roku łącznie przez wszystkich kolejnych posiadaczy tych odpadów”.

W praktyce przemysłowej często do magazynowania zużytych ogniw Li-ion stosuje się specjalistyczne systemy, odpowiednio przystosowane do tego celu. Pozwala to na ograniczanie ryzyka związanego z mechanicznym uszkodzeniem korpusu i struktury ogniw, a także z zachodzeniem silnych reakcji chemicznych czy samozapłonem (pożarem).

¹Tsiropoulos I., Tarvydas D., Lebedeva N., JRC Science for Policy Report:
Li-ion batteries for mobility and stationary storage applications – Scenarios for costs and market growth. Publications Office
of the European Union, Luxembourg 2018, https://doi.org/10.2760/87175 (wersja skrócona: https://ec.europa.eu/jrc/en/science-update/lithium-ion-batteries-mobility-and-storage-applications).