Staré batérie nemusia skončiť ako drahý odpad. Nová metóda im dokáže vrátiť takmer pôvodný výkon
Vedci z Cornellovej univerzity ukázali nový spôsob recyklácie lítium-iónových batérií. Namiesto drvenia obnovujú celé elektródy, čím batériám dokážu vrátiť až 95 % výkonu a znížiť náklady na recykláciu.
Možno to už ani nevnímaš, ale batérie sú dnes takmer všade okolo nás. Máš ich v mobile, notebooku, hodinkách, elektromobile aj v zariadeniach, ktoré denne používaš bez toho, aby si nad ich napájaním vôbec premýšľal.
Batérie sa vyrábajú v rôznych tvaroch, veľkostiach a chemických zloženiach. Medzi najrozšírenejšie patria lítium-iónové články, ktoré majú vysokú energetickú hustotu. Inak povedané, do relatívne malého priestoru dokážu uložiť veľa energie. Ich výroba aj recyklácia sú však náročné na suroviny, energiu a životné prostredie. Používajú totiž kritické minerály ako nikel, kobalt či lítium, po ktorých dopyt prudko rastie.
Nový postup, ktorý vyvinuli vedci z Cornellovej univerzity v USA, sa snaží tento problém riešiť inak než klasická recyklácia. Namiesto toho, aby batériu rozdrvili a rozložili na základné suroviny, zamerali sa na obnovu jej elektród. Použité články tak nemusia automaticky prejsť energeticky náročným spracovaním, pri ktorom sa materiál najskôr zničí a až potom z neho vznikajú nové súčasti batérie.
Podľa autorov štúdie dokáže ich metóda vrátiť batériám až 95 percent pôvodného výkonu. Vedci zároveň ukázali, že obnovené články môžu pri ďalšom používaní vydržať dlhšie. Pri recyklácii batérií preto nejde len o drobné zlepšenie, ale o pokus skrátiť celú cestu, ktorou sa použité materiály vracajú späť do výroby.
Ich postup sa označuje ako priama regenerácia elektród. V štúdii ho vedci pomenovali DEER, teda direct electrode-to-electrode regeneration. Batériu najskôr opatrne rozoberú a vyberú z nej elektródy, ktoré zostávajú fyzicky neporušené a pripojené ku kovovému zberaču prúdu. To je dôležitý rozdiel oproti bežnej recyklácii, pri ktorej sa články často drvia na jemnú zmes materiálov.
Neprehliadni
Následne elektródy vložia do samostatného článku s elektrochemickým roztokom. Vedci v štúdii použili látku 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, ktorá pomáha rozpúšťať izolačnú vrstvu vznikajúcu počas používania batérie. Ide o takzvanú SEI vrstvu, teda pevnú medzifázu elektrolytu. Môžeš si ju predstaviť ako povlak, ktorý sa postupne vytvára na elektródach pri nabíjaní a vybíjaní. Čím je hrubší, tým viac znižuje výkon a kapacitu batérie.
Tlak na recykláciu batérií rastie, no samotný proces zatiaľ veľmi ekologický nie je
Podľa profesorky Vibhy Kalrovej ide skôr o opravu než o deštrukciu. Elektródy netreba rozkladať, znovu syntetizovať a vyrábať od začiatku. Práve tým sa skracuje takzvaná cirkulárna slučka, teda čas a počet krokov, ktoré sú potrebné na návrat použitých materiálov späť do batérie.
Pri klasickej recyklácii sa dnes používajú najmä dva postupy. Pyrometalurgia taví batérie pri vysokých teplotách, čím vzniká zliatina a troska, z ktorých sa následne získavajú cenné kovy. Hydrometalurgia ide inou cestou. Batérie sa najskôr rozdrvia na práškovú „čiernu hmotu“ a tá sa potom spracúva pomocou agresívnych kyselín.
Obe metódy dokážu získať späť časť cenných prvkov, no majú veľkú nevýhodu. Materiály sa musia po spracovaní opäť premeniť na nové elektródové súčasti, čo je drahé, pomalé a energeticky náročné. Priama regenerácia sa tomu snaží vyhnúť. Namiesto úplného rozkladu pracuje s elektródou ako s komponentom, ktorý sa dá obnoviť.
Prvé analýzy naznačujú, že technológia by mohla znížiť emisie škodlivín aj spotrebu vody. Výskumníci zároveň vypočítali, že náklady na výrobu recyklovaných článkov by sa mohli znížiť až o 56 percent. To je podstatne konkrétnejší údaj než len všeobecné tvrdenie, že recyklácia bude lacnejšia.
Až pri nasadení vo veľkom meradle sa ukáže, či nejde len o sľubný laboratórny výsledok, ale o technológiu pripravenú pre skutočný batériový priemysel. Výhodou metódy je však to, že sa nesnaží z použitej batérie spraviť surovinu úplne od nuly. Snaží sa zachrániť čo najviac z toho, čo už v článku existuje.
Výsledky výskumu zverejnil odborný časopis Energy and Environmental Science. Hlavným autorom štúdie je postdoktorandský výskumník Kiwon Kim a projekt viedla profesorka Vibha Kalrová z oblasti chemického inžinierstva. Na analýzach spolupracovali aj výskumníci z Argonne National Laboratory, ktorí využili open-source nástroje ReCell Center na techno-ekonomické a environmentálne hodnotenie procesu.
Nová technológia rieši aj problém surovinovej závislosti
Batériový priemysel dlhé roky fungoval podľa jednoduchého modelu. Suroviny sa vyťažili, spracovali do výrobkov a po skončení životnosti batérie často skončili ako odpad. Tento prístup však naráža na svoje limity. Použité batérie môžu pri nesprávnom skladovaní uvoľňovať nebezpečné látky do pôdy a vody. Zároveň predstavujú aj požiarne riziko, najmä ak sú poškodené alebo sa dostanú do nevhodných podmienok.
Dôležitá je aj dostupnosť samotných surovín. Nikel, kobalt a lítium sú strategické materiály a nie každá krajina má vlastné zásoby ani priemysel na ich spracovanie. Spojené štáty sú pri výrobe batérií odkázané na dovoz viacerých kritických surovín a podobný problém rieši aj Európa. Efektívnejšia recyklácia preto nie je len ekologická téma, ale aj otázka priemyselnej sebestačnosti.
Výskum sa tým nekončí. Vedci chcú metódu DEER testovať aj na väčších priemyselných batériách a článkoch používaných v elektromobiloch. Doteraz pracovali najmä s batériami, ktoré si zachovali približne 70 až 80 percent pôvodného stavu zdravia. Takýto stav je typický pre batérie po rokoch používania v elektromobile.
Ďalšou výzvou bude riešenie iných foriem degradácie. Jednou z nich je strata aktívneho lítia, ktorá tiež znižuje kapacitu článku. Ak sa vedcom podarí zvládnuť aj tieto mechanizmy, mohli by obnovovať širší okruh použitých batérií než dnes.
Laboratórny výsledok je ale jedna vec, priemyselná prevádzka druhá. Ak sa však metódu podarí preniesť do väčšieho meradla, použité lítium-iónové batérie by nemuseli byť len problémovým odpadom. Mohli by sa stať zdrojom, ktorý sa dá obnoviť lacnejšie, rýchlejšie a s menšou ekologickou stopou.
