Защо рециклирането все още е толкова трудно

Преминаването към захранван с батерии транспорт става бързо. Ако бяхте предвидили преди 10 години, че всеки автомобилен производител ще има амбициозен план за разработване на изцяло електрическа гама от автомобили, е, вероятно щяхте да сте доста богати в момента. Но едно десетилетие е много време.

Съвършена буря от фактори – екологични, политически, икономически и социални – се комбинират, за да доведат до най-преобразуващия момент, който автомобилната индустрия е виждала, откакто Model T започна да слиза от поточната линия на Хенри Форд преди век.

Говоренето за електрически превозни средства кипи от дълго време. Както във всеки момент на голяма промяна и катаклизми обаче, няма недостиг на хаос. Електромобилите са по-известни от всякога. Масовото внедряване изглежда точно зад ъгъла. А обещанието за нулеви емисии от ауспуха се представя като златна възможност за човечеството.

Всичко е вярно до известна степен. Но, дали електрическите автомобили ще постигнат достатъчно голям ефект от изменението на климата или не, ще се сведе до едно нещо: батериите.

Или по-конкретно, как проектираме, изграждаме, управляваме и рециклираме този критичен компонент. Процеси, които са далеч по-малко прозрачни (и много по-важни) от многобройните напразни съобщения за производствени партньорства или планове за пускане на пазара на 25 нови електромобила до 2030 г.

Подобно на изкопаемите горива, ключовите съставки, влизащи в днешните батерии, също са ограничени ресурси. Очевидно е, че разработването на начини за изчистване на всичко, което може да се използва повторно от стари батерии за изграждане на нови, ще бъде от решаващо значение. Това ще изисква ниво на междуиндустриална стандартизация, което все още липсва. Обръщаме внимание на живота на акумулатора за електрически автомобил. От снабдяването с материали до производството, до рециклирането в края на жизнения цикъл.

Основи на батерията

За да се захрани един или повече електрически мотора, които задвижват кола, трябва да има електричество. Самото електричество може да се генерира по редица различни начини. Изгаряне на изкопаеми горива, възстановяване на кинетична енергия. Възобновяеми ресурси като слънцето или вятъра. Ядрената енергия също е технически на масата, но звучи доста невъзможно.

Нуждаем се от метод за плътно съхраняване на енергия. Принципът на захранваната с батерии електрическа кола не е далеч от този на автомобил с вътрешно горене и резервоар за гориво . В края на краищата, бензинът е просто още една среда за съхранение и транспортиране на енергия. Само че, вместо да освобождава тази енергия чрез контролирани експлозии под капака, батерията преобразува съхранената химическа енергия директно в електрическа.

Кратка история на електрическите коли

Електрическите автомобили не са нови в никакъв случай. Първите експериментални електрически превозни средства са били построени през 1830-те години. Захранвани са от батерии за еднократна употреба. До 1890 г. шотландски химик, живеещ в Айова, на име Уилям Морисън, разработи първата електрическа кола. Преустроен конски вагон, задвижван от акумулаторни батерии. Технология, която се появява в средата на 19 век. Историците не са съгласни относно химическия състав на батериите, използвани в автомобила на Морисън. Някои смятат, че са били оловно-киселинни, изобретени преди няколко десетилетия от френски физик на име Гастон Планте. Батериите дават на каретата на Морисън обхват от около 50 мили с време за презареждане от 10 часа. Не е идеално във време, когато повечето домове в Америка все още нямали електричество.

В началото на 20-ти век настъпва кратка златна ера на предвоенните електрически автомобили. Електричеството е чисто, светло и ново в сравнение с мръсния бизнес с изгаряне на въглища и петрол. Има редица неприятни причини, поради които вътрешното горене все още се очертава като най-жизнеспособната технология за задвижване на превозни средства през 20-те години на миналия век. От практическа гледна точка това е енергийно плътна субстанция, която навлиза относително бързо и лесно в колите.

Първи опит за масов електромобил

През 1996 г., в отговор на законодателството в Калифорния, което би изисквало всеки автомобилен производител да предлага кола с нулеви емисии, General Motors удиви света. Построи първата модерна, готова за производство електрическа кола от ветеран автомобилен производител: GM EV1. Първоначално EV1 се произвеждаше с тежки оловно-киселинни батерии. GM оборудва второто поколение EV1 с по-модерна никел-метал хидрид (NiMH) химия. EV1 се превръща в един от най-противоречивите спрени от производство автомобили на всички времена. Регулациите, които стимулират неговото развитие, са облекчени в полза на хибридите до края на 90те г. Всичко се оказа повратна точка за електричките – Toyota, Ford и други автомобилни производители също се присъединяват с Rav4 и Ranger EV.

Инерцията за електрическите автомобили се натрупваше, макар и бавно. Тогава идва Тесла. Много хора познават Илон Мъск като човека зад Tesla. Но, истинското лице зад техническите иновации на компанията е нейният бивш главен технически директор, Джеби Стробел. През 2008 г., с помощта на инвестицията на Мъск, Tesla пусна първото поколение Tesla Roadster с нова литиево-йонна батерия.

Воден от Saraubel, инженерният екип решава да създаде пакети с много хиляди малки клетки, а не няколко големи клетки. Това дава около седем пъти повече повърхностна площ за разсейване на топлината, което помогна изключително много. Инженерите проектирали начин за охлаждане на пакетите с течност, а не само с преминаващ въздух. Тази иновация доведе до автомобил със сертифициран от EPA пробег от 392 км. Повече от два пъти над от оборудвания с NiMH EV1 и почти пет пъти повече от тези, задвижвани от оригиналните пакети с оловна киселина. Накратко, съвременната електрическа автомобилна батерия е родена.

Вътрешността на батерията на електрическата кола

Днес повечето коли използват литиево-йонни батерии за съхраняване на енергия. Химическият състав на батерията може да се различава от производител до производител. Градивните елементи са относително еднакви: анод, катод и електролит. Електричеството се произвежда от клетката на батерията, докато литиевите йони преминават през електролита от анода към катода (и обратното при зареждане).

Както Стробел открива, батериите работят най-добре с много малки клетки, опаковани в използваем форм-фактор. Независимо дали са в цилиндрични клетки като повечето Tesla (с изключение на моделите, оборудвани с LFP). Или призматични (торбички) – клетки като тези в Hummer EV или Hyundai Ioniq 5. Всички тези клетки изискват значително количество литий. Някои експерти изчисляват около осем килограма на превозно средство. За контекст, средният iPhone има по-малко от един грам литий вътре.

И така, откъде идва всичко това?

По-голямата част от световния литий идва от Китай, Австралия, Чили и Аржентина. Литият се получава или чрез открит добив, или чрез извличане от богата саламура с реагент (като натриев карбонат) и след това изсушаване, докато образува литиев карбонат.

След това изсушеният литиев карбонат се изпраща в преработвателни предприятия, където се превръща в катодно активен материал. По време на този процес активният материал се смесва равномерно в суспензия. Съдържаща проводящ въглерод и полимерно свързващо вещество. Това го прави подходящ за използване по време на действителния производствен процес на акумулаторната клетка.

Други материали като кобалт или никел също се използват в производството на катоди. Струва си да се отбележи, че това е един от най-големите спорове в процеса на изграждане на батерии, тъй като добивът на кобалт е огромен хуманитарен проблем. Подхранван от условия на експлоатация и детски труд. Повечето компании са обещали да набавят етично материали за производството на батерии или са се отдалечили от кобалта като цяло поради опасения за устойчивостта. Работата е там, че няма много кобалт с етичен произход, който се движи по световните вериги за доставки.

След това клетките трябва да бъдат сглобени. Докато основните принципи на работа на батерията са еднакви, форм-факторът, използван от автомобилните производители, може да се различава. Например, цилиндричните клетки ще имат компонентите, навити и затворени в метална клетка. Клетките с торбички ще имат компонентите, наслоени или „сложени“ вътре.

След това клетките се поставят в собствена опаковка на автомобилния производител. Тази стъпка по-специално може да варира в зависимост от производителя. Повечето компании изграждат тези отделни модули, които след това могат да бъдат сглобени в пакети, преди да бъдат инсталирани в превозното средство.

Повторно използване и рециклиране

След като батерията изслужи полезния си живот – чиято продължителност зависи силно от броя на циклите на зареждане, условията на околната среда и ежедневната й употреба – тя трябва да премине през процес на изхвърляне.

Това ни води до една от най-честите точки, изтъквани от скептиците на електромобилите: замърсяването. Не е тайна, че батериите са абсолютна екологична катастрофа за производство – превозно средство се оценява, че произвежда 68 процента по-високи производствени емисии в сравнение с такова, задвижвано с бензин.

И какво се случва, след като една батерия достигне края на своя живот? Дали всички тези клетки просто се озовават някъде на сметище? Не точно, макар и недалеч. Индустрията все още се опитва да намери най-добрия начин за възстановяване на старите батерии. За да се намали въздействието върху околната среда и да се избегне пълното изчерпване на лития. Процесът е много далеч от идеален.

Систематично рециклиране

Очевидният отговор е систематичното рециклиране. Експертите смятат, че около 1,6 милиона метрични тона батерии ще бъдат узрели за рециклиране до 2030 г. и материали, рециклирани от използвани батерии, могат да се използват в производството на нови единици. Вместо да изхвърлим старите клетки и да бръкнем обратно в земята за повече минерали, можем да извлечем тези ценни ресурси от това, което вече е направено. По същия начин, по който рециклиращите извличат злато, сребро и платина от стара електроника. Автомобилите използват оловно-киселинни акумулатори отдавна и ние имаме доста добра система за рециклирането им. Защо същото да не важи и за тези по-големи литиево-йонни пакети?

Спънките

Всеки производител опакова батериите по различен начин въз основа на точните си бизнес нужди. Това е първото препятствие при стандартизирането на процеса за всички. Например, разглобяването на клетъчна батерия в торбичка спрямо батерия с цилиндрична клетка е напълно различен процес.

Автомобилната индустрия иска да даде възможност на рециклиращата индустрия да прави иновации успоредно. Постижимо ли е това, ако батерийните клетки не са еднакви или лесно могат да се възстановят от един производител на автомобили до следващия? Независимо от формата на рециклиране, батериите все още трябва да бъдат разглобени, за да бъдат рециклирани. А необходимостта от повторна употреба на нещо може да доведе до продуктови решения. Само рециклирането е причината много 12-волтови автомобилни батерии да споделят много подобен форм фактор днес.

След като батерията на електрически автомобил бъде разглобена, нейните вътрешни компоненти могат да бъдат нарязани и сортирани. Това води до доста зловещо звучащата буца от материали, известна като „черна маса“. В черната маса има богатство от ценни материали, които вече са добити от земята: въглерод, графит, кобалт, никел, манган и литий, и др. Но има и пластмасови, стоманени, алуминиеви и други контейнери, които трябва да бъдат премахнати. Така че черната маса трябва да премине през допълнителни стъпки за извличане на значими материали.

Хидровъзстановяването е друга възможност, към която се насочват много фирми за рециклиране. Вместо топене, хидрометалургията използва водни разтвори за извличане на ценни материали от черната маса, което означава много по-малко загуба на енергия. Подобно на пиро-рециклирането, той предлага голямо възстановяване на кобалт, мед и никел, но също така предоставя опция за ефективно рециклиране на литий, графит и манган. Разбира се, има недостатъци в сегашното му състояние, като най-големите два са значителното количество отпадъчни странични продукти и високите стартови разходи. За сега батериите издържат по-дълго и надминават това, което повечето анализатори и производители очакваха на този етап.

На къде ще се развие всичко в бъдещето

Технологията все още е в начален етап от гледна точка на масово приемане и начинът, по който мислим за изграждането и поддръжката на батерии днес. Това вероятно не е начинът, по който ще мислим за тях през 2032 г. Хардуерът и софтуерът може да имат проблеми, батериите може да се разграждат по различен начин от очакваното. А мрежата за зареждане ще отнеме време, за да навакса.

Но може би най-голямата неизвестна е колко бързо ще се променят технологиите. Автомобилни производители като Honda и Toyota вече инвестират сериозно в разработката на твърдотелни батерии, които могат да предложат значително по-бързо време за зареждане в сравнение с днешните литиево-йонни клетки. Ще навлезе ли това веднага, щом стане търговски жизнеспособно?

Сигурно е, че производителите на автомобили ще бъдат под известен натиск да произвеждат качествени компоненти, когато става въпрос за батерии. Калифорнийският съвет за въздушни ресурси (CARB) – същият орган, чието изискване за нулеви емисии доведе до съществуването на GM EV1 преди 25 години – вече е изготвил ограничения за разграждане на батерията Те трябва да бъдат въведени до 2026 г., ако бъдат приети. Европейския Съюз е със строги законови норми по отношение на батериите, емисиите и бъдещето производство в автомобилната индустрия. Като цяло, всички държави по света са много активни в това отношение.

Ако изискванията бяха публикувани днес във вида, в който са изготвени, електрически коли трябва да поддържат 80 процента от първоначалния си номинален пробег за най-малко 15 години. В момента Hyundai обещава 10-годишна гаранция от 160 000км за батерията на Ioniq 5. Tesla има подобна гаранция с 8 години за всички свои превозни средства и диапазон на пробег в зависимост от модела.

Много въпроси и проблеми предстои да се решават. Преминаването към напълно електрически коли има своите предизвикателства. Нищо не бива да е за сметка на природата и човечество!

Източници – VW, GM, YouTube, TheDrive