[eMit]: Baterie samochodów elektrycznych nie nadają się do recyklingu i jako odpady zanieczyszczają środowisko

Baterie samochodów elektrycznych, wbrew temu, co twierdzą niektórzy, nie stwarzają ryzyka dla środowiska. Już teraz z powodzeniem odzyskuje się z nich surowce, w tym cenne metale, a w najbliższych latach możemy spodziewać się szybkiego i szerokiego rozwoju procesów ich recyklingu. A zanim zostaną mu poddane, baterie samochodowe posłużą nam za stacjonarne magazyny energii.

• Do opisu stopnia degradacji ogniwa jonowo-litowego używa się parametru SoH (state of health), opierającego się na porównaniu pojemności baterii w chwili opuszczenia linii produkcyjnej do jej aktualnej pojemności w chwili badania (SoH = pojemność aktualna/pojemność początkowa).
• Standardowo przyjmowanym przez producentów samochodów elektrycznych progiem wyeksploatowania ogniwa jest SoH poniżej 80%. Tak wysoki próg wynika z obawy o zagrzewanie się ogniw. Jednak pojazdy wyposażone są w układy zarządzania baterią BMS, dzięki którym możliwe jest utrzymanie ogniwa w odpowiedniej temperaturze nawet przy niskim SoH i dalsze jego użytkowanie.
• Po przekroczeniu tego progu baterie samochodowe mogą służyć za stacjonarne magazyny energii. 
• W bateriach samochodów elektrycznych znajdują się surowce strategiczne: nikiel, lit, mangan, kobalt, miedź, grafit oraz w niektórych modelach cenny tytan. 
• Zgodnie z Aktem o surowcach krytycznych,  Unia Europejska ma wzmacniać obieg zamknięty i recykling surowców strategicznych z punktu widzenia dążeń wspólnoty do zerowej emisyjności (m.in. w sektorze transportu drogowego).
• Według zapisów rozporządzenia bateryjnego, odzyskiwanie litu z ogniw jonowo-litowych ma znaleźć się na poziomie 50% do końca 2027 r. i 80% do końca 2031 r.
• W związku z tym, że obecnie dominujący proces recyklingu ogniw – pirometalurgia – nie pozwala na odzyskanie litu (ale pozwala na odzyskanie innych ważnych surowców), potrzebny jest rozwój procesów alternatywnych.
• Obecnie takim procesem jest hydrometalurgia, nad którą wciąż trwają prace badawcze. Już w 2027 r. w Niemczech ma zacząć prace wykorzystująca tę metodę fabryka ReLieVe, która nazywana jest projektem rewolucyjnym. W założeniu ma napędzić rozwój zrównoważonego, efektywnego i niskoemisyjnego recyclingu kluczowych dla transformacji energetycznej surowców.
• Mimo że jesteśmy dopiero na początku transformacji transportu drogowego w kierunku zero emisyjności, już teraz dysponujemy rozwiązaniami, które pozwalają na efektywny recykling większości elementów składających się na baterie EV. 
• Już na tym etapie nie jest prawdą, że zużyte baterie z samochodów elektrycznych zanieczyszczają środowisko.

Proces degradacji ogniw jonowo-litowych

Baterie są urządzeniami, które przekształcają w reakcjach utleniania i redukcji energię chemiczną ich materiału aktywnego w energię elektryczną, zatem w całym cyklu życia pakietów baterii do samochodów elektrycznych (ogniw jonowo-litowych) zachodzą procesy chemiczne. 

Dlatego proces degradacji ogniwa jonowo-litowego postępuje nawet wówczas, gdy nie jest ono użytkowane, dzieje się to jednak wolniej niż w czasie jego eksploatacji, kiedy bateria jest systematycznie rozładowywana i ładowana oraz pojawiają się dodatkowe czynniki środowiskowe i mechaniczne obciążenia.

W notach katalogowych podaje się dwa różne parametry zużycia ogniwa jonowo-litowego: 

• „calendar life”, co oznacza wyeksploatowanie w funkcji czasu użytkowania
• „cycle life”, który  opisuje szybszą eksploatację w funkcji cykli ładowania-rozładowania.

W związku z degradacją ogniwa dochodzi do spadku jego pojemności i wzrostu rezystancji wewnętrznej (DCIR). Im większa jest rezystencja, tym mniejsza sprawność ogniwa i większa utrata energii w postaci ciepła. W pewnym momencie TMS (temperature management system) pojazdu nie jest już w stanie chłodzić pakietów bateriii cały system zasilania pojazdu przestaje działać. 

SoH, State of Health – parametr opisujący stopień eksploatacji ogniwa

Do opisu stopnia degradacji ogniwa jonowo-litowego używa się parametru SoH (state of health), opierającego się na porównaniu pojemności baterii w chwili opuszczenia linii produkcyjnej do jej aktualnej pojemności (SoH = pojemność aktualna/pojemność początkowa). 

Spadek wartości SoH oznacza spadek pojemności ogniwa i wzrost wewnętrznej rezystencji. 

Co to znaczy, że ogniwo jonowo-litowe w samochodzie elektrycznym zostało wyeksploatowane?

Standardowo przyjmowanym przez producentów samochodów elektrycznych progiem wyeksploatowania ogniwa jest SoH poniżej 80%. Tak wysoki próg wynika z obawy o zagrzewanie się ogniw. 

Producenci pojazdów elektrycznych wciąż rozwijają systemy, które pozwalałyby na zwiększenie żywotności ogniwa. Jednym z nich jest układ zarządzania baterią (BMS, battery Management System), który pozwala na optymalizację procesu ładowania pakietów baterii, np. zapobiegając jej przeładowaniu lub niedoładowaniu, nie dopuszczając do nadmiernej utraty energii, która powodowałaby nadmierne przegrzewanie się systemu. 

Dzięki BMS możliwe jest utrzymanie ogniwa w odpowiedniej temperaturze nawet przy niskim SoH i dalsze jego użytkowanie. Jednak wiąże się to ze spadkiem zasięgu pojazdu, mniejszym przyspieszeniem pojazdu i mniejszą maksymalną mocą ładowania.

Recykling baterii z pojazdów elektrycznych – przepisy UE

Żeby lepiej zrozumieć możliwości w zakresie recyklingu surowców wykorzystywanych do produkcji baterii samochodów elektrycznych, wymieńmy główne składniki trzech najpowszechniej stosowanych typów ogniw:

• ogniwo NMC
  • Anoda – grafit z możliwymi lekkimi domieszkami krzemu
  • Katoda – tlenki niklu, manganu i kobaltu o różnych proporcjach (o proporcji tych metali mówi nam typ ogniwa, np. NMC 622 oznacza proporcje nikiel, mangan, kobalt na 6:2:2)
• ogniwo LFP
  • Anoda – grafit z możliwymi lekkimi domieszkami krzemu
  • Katoda – tlenki żelaza i fosforu
• ogniwo LTO
  • Anoda – tlenek tytanu
  • Katoda – tlenki niklu, manganu i kobaltu o różnych proporcjach

Większość wymienionych powyżej surowców znajduje się na liście surowców strategicznych w uchwalonym przez Radę Europy Akcie o surowcach krytycznych, który jest częścią szerokiej polityki klimatycznej UE. Zgodnie z nim Unia Europejska ma:

• wzmacniać obieg zamknięty i recykling surowców strategicznych z punktu widzenia dążeń wspólnoty do zerowej emisyjności (m.in. w sektorze transportu drogowego),
• wspierać badania i innowacje dotyczące oszczędzania tych zasobów i wzmocnić poszukiwania substytutów,  
• zwiększać i dywersyfikować podaż tych surowców w UE. 

W rozporządzeniu Rady Europy o bateriach i zużytych bateriach określone są przepisy dotyczące całego cyklu życia baterii, w tym cele w zakresie odzyskiwania materiałów i obowiązki producentów. 

Wybrane cele rozporządzenia bateryjnego:

• odzyskiwanie litu na poziomie 50% do końca 2027 r. i 80% do końca 2031 r.
• docelowe obowiązkowe poziomy zawartości minerałów z recyklingu w bateriach przemysłowych i akumulatorach pojazdów i maszyn – kobalt 16%, ołów 85%, lit 6%, nikiel 6%
• producentów obejmie wymóg posiadania dokumentacji zawartości materiałów z recyklingu w bateriach
• do końca 2025 r. wydajność recyklingu ma wynieść 80% dla baterii niklowo-kadmowych i 50% dla innych zużytych baterii
• z baterii samochodowych będzie odzyskiwane 90% kobaltu i niklu oraz 80% litu
• w 2027 r. zostaną wprowadzone maksymalne limity emisji CO2 w  procesie produkcji baterii
• już od początku 2024 r. producenci są zobowiązani do takiego projektowania baterii, żeby możliwa była ich prosta i bezpieczna utylizacja.

Rozporządzenie promuje gospodarkę o obiegu zamkniętym, która jest elementem strategii zrównoważonego rozwoju, a dodatkowo wpisuje się również w dążenie Europy do większej autonomii w geopolitycznym kontekście. 

„Repurposing” czyli zmiana zastosowania baterii samochodowej

W rozporządzeniu bateryjnym Unia Europejska zastrzegła, że każdy układ zarządzania baterią (BMS) ma mieć możliwość zmiany przeznaczenia pakietu akumulatorów. Naturalnym zastosowaniem pakietów odzyskanych z pojazdów są stacjonarne magazyny energii, które działają już np. w Kalifornii. 

Pakiety pracują wtedy w zupełnie innym cyklu ładowania i rozładowywania, w którym mogą działać do ich całkowitego wyeksploatowania, co w praktyce oznacza SoH w okolicach 40-50%. Po tym czasie wykorzystywanie ich przestaje być opłacalne i lepiej wymienić je na baterie świeżo wymontowane z samochodów. Całkowicie zużyte pakiety baterii trafiają wówczas do firm, które zajmują się odzyskiwaniem z nich surowców.

Firmy te odzyskują z nich nie tylko strategiczne surowce, ale też wiele innych elementów, które standardowo występują od dekad w innego rodzaju pojazdach: aluminiowe ramy, kable, śruby, szyny wysokoprądowe, złącza, oraz komponenty elektroniczne.

Odzyskiwanie surowców z baterii samochodowych

Z pakietu akumulatorów używanych wcześniej w pojeździe elektrycznym i stacjonarnej stacji energetycznej wyciągane są poszczególne moduły zawierające ogniwa i poddawane są przeróbce mechanicznej – rozdrabniane w kruszarce. Produktem tego procesu są frakcje:

• Czarna masa, zawierająca materiały aktywne obu elektrod, mieszaninę minerałów (w tym lit) 
• Tworzywo sztuczne z obudów, uszczelek itp.
• Aluminium 
• Miedź 
• Stal 

Miedź, aluminium i stal wysyłane są do hut, gdzie przetapia się je na czyste metale i wykorzystuje ponownie w różnych gałęziach przemysłu, tworzywa sztuczne (ok. 1% masy modułu) poddaje recyklingowi lub utylizacji.

Najważniejszą frakcją jest czarna masa, która trafia do jednego z dwóch finalnych etapów recyklingu: pirometalurgii lub hydrometalurgii. 

Recycling ogniw jonowo-litowych – pirometalurgia

wykorzystywany dalej np. w budownictwie oraz cenne metale, m.in. kobalt, tytan, nikiel, żelazo.  

Pirometalurgia to metoda wykorzystywana od dawna, a co za tym idzie – posiadająca rozbudowane zaplecze infrastrukturalne na terenie wspólnoty europejskiej. Jednak w tej metodzie odzyskiwania surowców cenne lit i mangan trafiają do odpadu. Jest ona dodatkowo energochłonna i dość emisyjna. 

Recycling ogniw jonowo-litowych – hydrometalurgia

Hydrometalurgia to rozpuszczanie substancji w roztworach, wytrącanie i wypłukiwanie. Procesy te umożliwiają selektywne odzyskiwanie surowców z czarnej masy, co ma szczególnie duże znaczenie w przypadku litu, który w innych procesach jest tracony. Proces hydrometalurgiczny jest również mniej emisyjny i energochłonny. 

Ten sposób odzyskiwania cennych surowców z baterii samochodowych nie jest obecnie stosowany na szeroką skalę i wciąż znajduje się w fazie testów. Jednak już w 2027 r. może się to zmienić. 

Wtedy ma rozpocząć działalność flagowa europejska fabryka ReLieVe, która będzie zajmować się całym procesem recyklingu baterii. Ma demontować, rozładowywać i rozdrabniać zużyte baterie, jak również odzyskiwać nikiel, kobalt i lit z czarnej masy w procesie hydrometalurgii. W planach jest również ich dalsze przetwarzanie i produkcja materiału odpowiedniego do wykorzystania w nowych bateriach. 

ReLieVe nazywana jest projektem rewolucyjnym, który w założeniu ma napędzić rozwój zrównoważonego, efektywnego i niskoemisyjnego recyclingu kluczowych dla transformacji energetycznej surowców. Ma także wytyczyć drogę dla realizacji celów zapisanych w bateryjnym rozporządzeniu. 

Biorąc jednak pod uwagę kosztowność infrastruktury dla hydrometalurgii oraz wciąż rozwijającą się technologię budowy ogniw jonowo-litowych, inwestycja w ten proces obciążona jest sporym ryzykiem. Dlatego też na optymistyczne cele projektowe niemieckiej fabryki na najbliższą przyszłość spoglądać należy z ostrożnością. 

Podsumowanie

Technologia bateryjna pojazdów drogowych jest stosunkowo młodą dziedziną, tym bardziej w skali masowej. Nie powinno wobec tego dziwić, że recykling akumulatorów samochodowych również jest na etapie badań i poszukiwania optymalnych rozwiązań. 

Mimo że jesteśmy dopiero na początku transformacji transportu drogowego w kierunku zeroemisyjności, już teraz dysponujemy rozwiązaniami, które pozwalają na efektywny recykling większości elementów składających się na baterie samochodów elektrycznych. 

Już na tym etapie nie jest prawdą, że zużyte baterie będą zanieczyszczać środowisko. Nie będzie nią tym bardziej w momencie, kiedy pojawią się dojrzalsze rozwiązania pozwalające na pełniejsze odzyskiwanie cennych surowców. Mimo ryzyk i kosztów infrastrukturalnych, hydrometalurgia wciąż jest obiecującą drogą do tego celu. 

Źródła: [1][2][3][4][5][6][7][8][9][10][11]