Откуда берутся батарейки? И куда они идут?
Каждый день вы используете аккумулятор определенного типа. Ваш телефон работает от перезаряжаемой литий-ионной батареи, как и большинство других ваших электронных устройств. Материнская плата вашего компьютера содержит неперезаряжаемый литиевый элемент типа «таблетка», известный как батарея CMOS. Двигатель внутреннего сгорания вашего автомобиля запускается от перезаряжаемой аккумуляторной батареи, обычно свинцово-кислотной. Список можно продолжить.
Примечание редактора: этот пост был обновлен 7 марта 2023 г. для ответа на вопрос, заданный читателем.
Батареи имеют ограниченный срок службы. Аккумуляторы AirPods будут работать от 18 месяцев до трех лет. В 2021 году по всему миру было продано около 300 миллионов настоящих беспроводных наушников (TWS), и эксперты ожидают дальнейшего роста рынка. В результате мы можем ожидать, что более 450 миллионов таких батарей выработают свой ресурс к концу 2023 года, а затем и больше.
И это только наушники.
Всемирный экономический форум Литий-ионные аккумуляторы, размещенные на мировом рынке (уровень ячеек, метрические тонны).
Литий-ионные аккумуляторы уже используются в бытовой электронике, например в наушниках, а также в электромобилях. Bloomberg New Energy Finance (BNEF) прогнозирует, что к 2030 году доля электромобилей в продажах составит 34% по сравнению с 4% в 2020 году. Этот быстрый рост спроса приводит к адаптации добычи и производства на начальном этапе.
Вам может быть интересно, является ли такой рост устойчивым и как мы справимся со всеми отходами. Это то, что мы здесь, чтобы выяснить.
В отличие от одноразовых литиевых батарей, литий-ионные батареи можно перезаряжать.
Откуда берутся батарейки?
Итальянский физик Алессандро Вольта изобрел первую настоящую батарею в 1800 году. В 1859 году Гастон Планте изобрел первую перезаряжаемую батарею. Литий-ионные аккумуляторы не появлялись на рынке до 1980 года.
И потребовалось еще 11 лет, прежде чем они были впервые коммерциализированы Sony.
Этот безопасный, компактный и энергоемкий аккумулятор положил начало мобильной революции, питая видеокамеры, ноутбуки, смартфоны и большинство другой портативной бытовой электроники, которую мы знаем сегодня. В 2019 году, ученые, которые изобрели литий-ионный аккумулятор, получили Нобелевскую премию по химии.
Давайте углубимся в материальный состав литий-ионных аккумуляторов, который превратил их в эти мощные двигатели перемен.
Из чего сделаны батареи?
Батарея представляет собой набор из одной или нескольких ячеек. Каждая заполненная электролитом ячейка содержит два электрода, каждый с токосъемником, которые расположены на противоположных концах батареи, с сепаратором между ними. Замыкание цепи между электродами запускает серию электрохимических реакций, которые создают электрический ток и разряжают батарею. Хотя основные компоненты и процессы одинаковы во всех типах аккумуляторов, материалы сильно различаются.
ScienceDirect Схематическая диаграмма типичной литий-ионной батареи (а) и весовые проценты ее основных компонентов (б).
Давайте посмотрим на компоненты, обычно встречающиеся в перезаряжаемой литий-ионной батарее:
- Анод: литий, хранящийся в углеродных структурах, позднее в графите
- Катод: оксид лития-никеля, оксид лития-кобальта и/или оксид лития-марганца
- Токоприемники: медь, алюминий
- Электролит (жидкий): соли лития и органические растворители, обычно алкилкарбонаты
- Сепаратор: синтетические полимеры, особенно мембраны на основе полиолефинов
Откуда берутся материалы для изготовления батарей?
Хотя большинство литий-ионных аккумуляторов производится в Китае, материалы, из которых они производятся, разбросаны по всему миру. Вот наиболее распространенные источники этих материалов:
| Material | Natural Reserves | Top Producers (2020) | Extraction |
|---|---|---|---|
| Material Lithium | Natural Reserves Global: 80 million tons | Ведущие производители (2020) Австралия (49%) Аргентина ( 8%) | Добыча Добывается из природного рассола в подземных озерах (Южная Америка) или месторождений полезных ископаемых в твердых породах (Австралия). |
| Материал Графит | Природные запасы Глобал: 800 млн. Тонн | . (2020) Китай (62%) | Добыча Добыча из метаморфических пород. |
| Материал Никель | Природные запасы В мире: 94 млн тонн ) | Ведущие производители (2020) Индонезия (30%) | Добыча Добыча из латеритов и сульфидных месторождений. Никель также встречается в марганцевых корках и конкрециях на дне океана. |
| Материал Кобальт | Природные запасы Мировые (наземные): 25 миллионов тонн | Ведущие производители (2020) Конго (68%) | Добыча Обычно побочный продукт никеля или добычи меди. |
| Material Manganese | Natural Reserves Global: 1.3 billion tons | Top Производители (2020) Южная Африка (28%) Габон (15%) Бразилия (6%) | Добыча Добывается из руды и в основном используется в производстве стали. |
| Материал Медь | Природные заповедники Глобальные (установленные): 2,1 миллиарда тонн | Ведущие производители (2020) Чили (29%) | Добыча Добывается по всему миру, в том числе на рудниках США в Аризоне, Юте, Нью-Мексико, Неваде, Монтане, Мичигане и Миссури. |
| Материал Алюминий (бокситы) | Природные запасы В мире: от 55 до 75 миллиардов тонн бокситов | Ведущие производители (2020) Австралия (30%) Китай (16%) | Добыча руда, добываемая из верхнего слоя почвы. |
Все добытые полезные ископаемые проходят переработку, часто не в странах их происхождения.
Горнодобывающая промышленность не является непосредственным источником органических растворителей и синтетических полимеров, содержащихся в литий-ионных батареях, хотя их основные компоненты извлекаются из земли. Вот упрощенное описание их производства:
- Алкилкарбонаты, как и диэтилкарбонат, синтезируются из фосгена, газа и спиртов, таких как этанол или метанол.
- Мембраны на основе полиолефинов синтезируются из полимеров, полученных из нефти или природного газа.
Какие проблемы с добычей полезных ископаемых?
Вся добыча полезных ископаемых имеет социальные и экологические последствия. Добыча кобальта в Демократической Республике Конго, например, часто связана с нечеловеческими условиями, а также рабским и детским трудом. Следовательно, такие производители, как Tesla, стремятся использовать литий-ионные батареи без кобальта.
Хотя источники добычи других полезных ископаемых могут иметь меньше социальных последствий, они по-прежнему требуют разрушения окружающей среды, истощают водные ресурсы и способствуют загрязнению воздуха, воды и почвы.
Горнодобывающая промышленность разрушает окружающую среду, истощает водные ресурсы и способствует загрязнению воздуха, воды и почвы.
Извлечение материала — это только первый шаг. Для обработки таких минералов, как литий, обычно требуются токсичные химикаты. Нефтеперерабатывающие заводы обычно утилизируют отходы в хвостохранилищах или прудах-испарителях. Отсюда ядовитые жидкости могут просачиваться в окружающую среду, загрязняя почву и воду. Даже обработанная вода может содержать следы минералов, которые могут неблагоприятно воздействовать на людей и животных.
ScienceDirect Относительные показатели воздействия литий-ионных аккумуляторов на основе оксида лития-марганца (LMO) или фосфата лития-железа (LFP).
Несмотря на то, что многие материалы, используемые в литий-ионных батареях, имеются в изобилии, их не всегда легко извлечь.
По мере истощения запасов природных ресурсов горнодобывающим предприятиям придется использовать менее благоприятные источники, что только усилит негативное воздействие добычи и переработки и может привести к увеличению судоходных путей. В конце концов, цены на ресурсы заставят производителей переключаться на другие химические составы аккумуляторов, например, с оксида лития-марганца на фосфат лития-железа.
К сожалению, проблема не только в производстве.
Куда девать батарейки?
Слишком много батарей по-прежнему попадает на свалку, хотя это зависит от их типа. В то время как 90% свинцово-кислотных аккумуляторов перерабатываются, по оценкам экспертов, только около 5% литий-ионных аккумуляторов в настоящее время перерабатываются. Многие другие прячутся в ящиках или оказываются в мусорном ведре. Это проблема.
Почему нельзя выбрасывать аккумуляторы в мусор
Литий-ионные аккумуляторы могут стать причиной возгорания при воздействии тепла, механических воздействий или других отходов.
После воздействия элементы, содержащиеся в батареях, могут попасть в окружающую среду и загрязнить почву и грунтовые воды. Хотя это не должно представлять проблемы на хорошо управляемом домашнем объекте, экспортируемый мусор может оказаться на более щадящей свалке. Рича и др. обратите внимание, что «больший риск представляет собой потерю ценных материалов».
Waste360 Зарегистрированные пожары на предприятиях по переработке отходов и переработке отходов в США и Канаде в период с февраля 2016 г. по апрель 2020 г.
Достаточно концентрированные природные ресурсы лития, кобальта, никеля и других элементов исчерпаны. Как обсуждалось выше, их добыча имеет необратимые последствия. К тому времени, когда эти материалы попадают в наши гаджеты, мы платим высокую социальную и экологическую цену за ущерб, нанесенный их цепочкам поставок.
Вскоре спрос на некоторые материалы превысит объем добычи. Одно из недавних исследований прогнозирует, что спрос на литий и кобальт может превысить производство уже к 2025 году.
Если вы примете во внимание, что в среднем отработанные электроды литий-ионных аккумуляторов содержат больше лития, чем природные руды, вы быстро придете к выводу, что даже разряженные аккумуляторы иметь значение.
Поскольку спрос превышает возможности добычи, переработка превращается из этического обязательства в экономически выгодную альтернативу и, возможно, в необходимость.
Куда потребители могут безопасно утилизировать батареи?
Аккумуляторы являются основным компонентом бытовой электроники, такой как смартфоны, ноутбуки или наушники. Когда батарея умирает, это часто означает конец жизни устройства. Это особенно верно для настоящих беспроводных наушников, таких как AirPods. Во многих случаях вам придется утилизировать весь гаджет, а не только аккумулятор.
iFixit Литий-ионные батареи, содержащиеся в AirPods, практически невозможно извлечь.
Многие производители предлагают программы утилизации электронных отходов. Например, если у вас есть старый iPhone, Apple может обменять его на кредит в магазине.
Магазины электроники, такие как Best Buy , будут бесплатно принимать товары и перерабатывать их. Если вам нужно утилизировать использованные бытовые батареи, Агентство по охране окружающей среды рекомендует искать на Earth911 местного поставщика услуг по переработке. Наконец, Call2Recycle предлагает пункты приема аккумуляторов и мобильных телефонов по всей территории США 9.0003
Как и в случае с другими электронными устройствами или батареями, вы можете найти места, где старые наушники принимают или обменивают. Помимо переработки наушников, вы также можете попробовать отремонтировать, повторно использовать или продать их. Когда вы будете готовы купить новую пару, подумайте об экологически чистых наушниках.
Что происходит с батареями, сданными на переработку?
Двумя наиболее распространенными методами переработки литий-ионных аккумуляторов являются пирометаллургия, процесс, основанный на нагревании, и гидрометаллургия, выщелачивание металлов химическими веществами.
Каждый метод переработки имеет свой собственный набор проблем.
Пирометаллургия представляет собой энергоемкий комплекс операций с образованием токсичных газов и возможностью извлечения только некоторых элементов; литий и алюминий, например, теряются в шлаке, побочном продукте твердых отходов. Гидрометаллургия работает при гораздо более низких температурах и имеет более высокую скорость восстановления, но это гораздо более сложный процесс, в котором используются ядовитые химикаты, которые создают собственную проблему удаления отходов. Чтобы максимизировать извлечение ресурсов, эти два метода часто используются в тандеме, но все же извлекают не более 50% исходных материалов для аккумуляторов, поскольку они, как правило, сосредоточены на наиболее ценных металлах и пренебрегают другими.
ScienceDirect Общая схема методов и процессов переработки отработанных литий-ионных аккумуляторов.
Усовершенствованные процессы рециклинга на основе гидрометаллургии обещают значительно приблизить коэффициент извлечения к 100%.
Li-Cycle — одна из первых компаний, которая сосредоточилась исключительно на переработке литий-ионных аккумуляторов. Его процесс включает в себя децентрализованную разборку батарей на их основные строительные блоки с последующим измельчением в инертные продукты. Оттуда такие материалы, как пластик, медь и алюминий, попадают в местные потоки вторичной переработки. Оставшийся промежуточный продукт, влажный мелкий порошок, называемый черной массой, отправляется в центральный узел, где он очищается для извлечения ценных материалов, таких как графит, кобальт, никель, литий и медь. По оценкам Li-Cycle, он может восстановить до 95% материалов с нулевым направлением на свалку, без сточных вод и без прямых выбросов.
Большинство процессов переработки литий-ионных аккумуляторов сосредоточены на ценных материалах, таких как кобальт, марганец и никель, из которых состоит катод литий-ионного аккумулятора. К сожалению, литий сложно регенерировать, а значит, добывать его по-прежнему дешевле. Это может измениться в ближайшие годы, особенно если литий подорожает или когда более продвинутые процессы переработки станут более доступными.
Аккумуляторы должны войти в круговую экономику
Производство перезаряжаемых аккумуляторов из добытых полезных ископаемых имеет социальные и экологические последствия, а природные ресурсы ограничены. Поскольку спрос на эту технологию продолжает расти, как производители, так и потребители должны активизировать свою деятельность по переработке отходов. Производителям необходимо придумать конструкции, облегчающие извлечение батарей, их разборку и извлечение отдельных материалов. Между тем, потребители должны ответственно утилизировать отработавшие батареи или старую электронику, чтобы убедиться, что они попадают в подходящие потоки вторичной переработки.
Извлекая аккумуляторы со свалки, мы можем восстановить ценные материалы и повторно использовать их для дальнейшего производства. По мере того, как мы увеличиваем объемы переработки, мы снизим нашу зависимость от природных ресурсов. Это ворота в экономику замкнутого цикла.
Часто задаваемые вопросы о батареях
В 2021 году Австралия произвела больше всего лития (55 000 тонн), за ней следуют Чили (26 000 тонн) и Китай (14 000 тонн).
Интересно, что Боливия обладает самыми большими ресурсами лития из всех (21 млн тонн), за ней следует Аргентина (19 млн тонн).млн тонн) и Чили (9,8 млн тонн). Эти цифры были взяты из «Сводок по минеральным товарам за 2022 год» (PDF), опубликованных Министерством внутренних дел США и Геологической службой США.
Это буквально движущаяся мишень. Рынок электромобилей (EV), который включает в себя автомобили, скутеры и велосипеды, быстро растет, как и его воздействие на окружающую среду.
Например, глобальные продажи электромобилей выросли более чем вдвое с 2020 по 2021 год. В 2021 году было продано 6,6 млн электромобилей, каждый из которых содержит около 8 кг лития, поэтому на рынок электромобилей приходится не менее 58% мирового производства лития (9).0,7 млн кг) в 2021 году. Социальные и экологические последствия одинаковы для всех литий-ионных аккумуляторов, т. е. разрушение среды обитания, чрезмерное использование воды, загрязнение, негуманные условия добычи и т. д.
Производители давно опасаются, что аккумуляторы из переработанных материалов может иметь более короткий срок службы или быть более подверженным отказам батареи, что может иметь разрушительные последствия для электромобиля.
Однако новое исследование, опубликованное в журнале Joule, посвященное новому методу переработки катода, дорогого ключевого компонента литий-ионных аккумуляторов, показало, что эти аккумуляторы служат дольше и заряжаются быстрее. Катод литий-ионного аккумулятора, изготовленный из переработанных материалов, более пористый, что предотвращает растрескивание катода, что является признаком деградации литий-ионного аккумулятора.
Возможно. Хотя литий требует добычи, как нефть и природный газ, он оказывает гораздо меньшее углеродное воздействие. Это потому, что на самом деле это не топливо — нам не нужно его сжигать, и оно не распадается на газы, которые подпитывают парниковый эффект. Более того, как только вы сожжете нефть или газ, они исчезнут. Однако можно перерабатывать литий и другие минералы из отработанных батарей, а это означает, что они снова будут использоваться в производстве батарей, что, в свою очередь, снизит потребность в свежедобытых минералах.
С другой стороны, литий токсичен, и, как нефть и газ, его добыча потенциально загрязняет воду.
Хорошей новостью является то, что другие, менее проблемные аккумуляторные технологии могут заменить батареи на основе лития быстрее, чем возобновляемые источники энергии могут заменить нефть и газ.
Сколько CO2 выбрасывается при производстве аккумуляторов?
Ирис Кроуфорд | Инициатива экологических решений 1 марта 2022 г.
FacebookTwitterLinkedInGoogle PlusЭлектронная почта
Это зависит от того, где и как изготовлена батарея, но когда дело доходит до экологически чистых технологий, таких как электромобили и солнечная энергия, даже самые грязные батареи выделяют меньше CO2, чем при их полном отсутствии.
Литий-ионные аккумуляторы являются популярным источником питания для экологически чистых технологий, таких как электромобили, из-за количества энергии, которое они могут хранить в небольшом пространстве, возможности зарядки и способности оставаться эффективными после сотен или даже тысяч циклов зарядки.
. Эти батареи являются важной частью текущих усилий по замене автомобилей с газовым двигателем, которые выделяют CO2 и другие парниковые газы. Эти же возможности также делают эти батареи хорошими кандидатами для хранения энергии в электросети. Однако за это приходится платить, поскольку в процессе производства аккумуляторов и их компонентов выделяется CO2, помимо других экологических и социальных проблем.
Производственный процесс
Производство литий-ионных аккумуляторов для электромобилей является более материалоемким, чем производство традиционных двигателей внутреннего сгорания, и спрос на материалы для аккумуляторов растет, объясняет Ян Шао-Хорн, профессор инженерных наук на факультете Массачусетского технологического института. машиностроения и материаловедения и инженерии. В настоящее время большая часть лития добывается из горных рудников или подземных резервуаров с рассолом, и большая часть энергии, используемой для его добычи и переработки, поступает из ископаемого топлива, выделяющего CO2.
В частности, при добыче твердых пород на каждую тонну добытого лития в воздух выбрасывается 15 тонн CO2.
Материалы для аккумуляторов также оплачиваются отдельно. Добыча сырья, такого как литий, кобальт и никель, трудоемка, требует химикатов и огромного количества воды — часто из районов с дефицитом воды — и может оставить после себя загрязняющие вещества и токсичные отходы. 60% мирового кобальта поступает из Демократической Республики Конго, где продолжают возникать вопросы о нарушениях прав человека, таких как детский труд.
Производство также увеличивает экологический след этих батарей, говорит Шао-Хорн. Для синтеза материалов, необходимых для производства, требуется тепло от 800 до 1000 градусов Цельсия — температура, которую можно экономически эффективно достичь только путем сжигания ископаемого топлива, что опять же увеличивает выбросы CO2.
Точное количество CO2, выбрасываемого в атмосферу в ходе длительного процесса изготовления батареи, может сильно различаться в зависимости от того, какие материалы используются, откуда они получены и какие источники энергии используются при производстве.
Подавляющее большинство литий-ионных аккумуляторов — около 77% мировых поставок — производится в Китае, где уголь является основным источником энергии. (Уголь выделяет примерно в два раза больше парниковых газов, чем природный газ, еще одно ископаемое топливо, которое можно использовать в высокотемпературном производстве.)
Например, Tesla Model 3 содержит литий-ионный аккумулятор емкостью 80 кВтч. Выбросы CO2 при производстве этой батареи будут варьироваться от 3120 кг (около 3 тонн) до 15 680 кг (около 16 тонн). Сколько стоит одна тонна CO2? Примерно такого же веса, как большая белая акула!
Исследователи по всему миру пытаются разработать новые производственные процессы или новый химический состав аккумуляторов, которые могут работать с более доступными и экологически чистыми материалами, но эти технологии еще не доступны в широком масштабе. «Если мы не изменим то, как мы производим материалы, как мы делаем химикаты, как мы производим, все, по сути, останется прежним», — говорит Шао-Хорн.
Аккумуляторы: большее влияние
Несмотря на воздействие производства литий-ионных аккумуляторов на окружающую среду, эта технология гораздо более благоприятна для климата, чем альтернативы, говорит Шао-Хорн. В Соединенных Штатах транспортный сектор производит наибольшую долю выбросов парниковых газов — почти одну треть от общего объема выбросов в стране. Большая часть этих выбросов — около 80% — происходит из выхлопных газов, которые можно было бы полностью исключить, если бы все автомобили работали от аккумуляторов. Убрав с дороги один пассажирский автомобиль, работающий на газе, и заменив его на электрический, мы предотвратим ежегодное попадание в атмосферу в среднем 4,6 тонны CO2. Если мы сравним это с верхним диапазоном производства батареи Tesla Model 3 — 16 тонн CO2, — вождение Tesla в течение четырех лет означает, что мы экономим больше CO2, чем производим, производя батарею.
Вторым важным экологическим преимуществом, которое могут предложить эти батареи, является стабилизация энергосистемы, добавляет Шао-Хорн.