Od vyradenej batérie cez black mass až po suroviny pre výrobu nových článkov
Životný cyklus batérie sa nemusí skončiť vo chvíli, keď už nedokáže spoľahlivo slúžiť v elektromobile alebo inom zariadení. Lítiovo-iónové batérie obsahujú kovy a ďalšie materiály, ktoré možno získať späť a opätovne využiť. Recyklácia tak nie je iba riešením odpadu, ale dôležitou súčasťou budúceho európskeho batériového priemyslu a cirkulárnej ekonomiky.
Téme recyklácie lítiovo-iónových batérií sa v rámci webinára Battery Value Chain venovala Marta Tomišová zo spoločnosti ShredCo. SEVA pripravila webinár pre Pohár mladých konštruktérov ako súčasť vzdelávacej platformy SEVA Academy.
ShredCo pripravuje v Šuranoch závod na spracovanie lítiovo-iónových batérií s plánovanou kapacitou 20 000 ton ročne. Podľa predstaveného konceptu má spracúvať výrobný odpad z produkcie batérií aj batérie po skončení životnosti. Projekt má vytvoriť domácu infraštruktúru pre recykláciu a podporiť návrat kritických materiálov späť do európskeho výrobného reťazca.
Nie každá použitá batéria musí okamžite skončiť v recyklácii
Prvým rozhodnutím po vyradení batérie nemusí byť jej rozobratie a materiálové spracovanie. Dôležité je najskôr zistiť jej technický stav a možnosti ďalšieho použitia. Marta Tomišová v prednáške uviedla ako orientačný rámec tri možnosti. Batéria, ktorá má stále dostatočnú kapacitu a technický stav, môže pokračovať v pôvodnom použití. Batérie, ktoré už nespĺňajú požiadavky elektromobilu, ale majú ešte využiteľnú kapacitu, môžu nájsť second-life využitie napríklad v stacionárnych energetických úložiskách. Až batérie, ktoré už nie sú vhodné ani na ďalšie technické využitie, smerujú k recyklácii. Takýto postup predlžuje čas, počas ktorého zostáva hodnota batérie využiteľná, a až následne prichádza materiálová recyklácia.
Recyklácia potrebuje batérie najskôr bezpečne dostať na jedno miesto
Prednáška ShredCo logicky nadviazala na časť webinára o zbere a ADR preprave batérií. Batérie z elektromobilov, elektroniky, elektrického náradia či ďalších zariadení sa musia najskôr bezpečne zozbierať, roztriediť a dopraviť do zariadenia, ktoré ich dokáže odborne spracovať. Vstupom do recyklačného procesu pritom nie sú iba staré batérie. Významnú časť môže tvoriť aj výrobný odpad z produkcie batériových článkov – napríklad potiahnuté fólie, vyradené články alebo produkty, ktoré pri kontrole kvality nesplnili požadované parametre. Druhú skupinu predstavujú použité batérie, články a moduly rôznych chemických zložení a konštrukčných formátov.
Najskôr treba batériu bezpečne rozobrať
Batéria elektromobilu neprichádza do recyklačného závodu ako homogénny kus materiálu. Kompletný batériový pack pozostáva z množstva článkov a modulov, ktoré dopĺňa konštrukcia, elektronika, kabeláž, chladiaci systém, plasty a viaceré druhy kovov. Prvým krokom je preto bezpečné prevzatie a podľa potreby aj kontrola možnosti ďalšieho využitia. Ak batéria smeruje na recykláciu, nasleduje jej vybitie a demontáž. Batériový pack sa rozoberie na menšie časti a z procesu sa postupne oddeľujú materiály, ktoré možno spracovať samostatne.
Mechanická recyklácia: z batérie vzniknú jednotlivé materiálové frakcie
Dôležitou časťou procesu ShredCo má byť mechanické spracovanie lítiovo-iónových batérií. Po vybití a príprave vstupuje materiál do drviaceho systému. Nasleduje séria mechanických separácií, pri ktorých sa oddeľujú jednotlivé materiály. Použiť možno napríklad magnetickú separáciu, sitá a ďalšie technológie podľa fyzikálnych vlastností materiálov. Výsledkom nie je jedna homogénna surovina, ale viacero frakcií. Samostatne možno získať napríklad hliník, meď, železné materiály a plasty. Najzaujímavejšou časťou z pohľadu batériových surovín je však jemný tmavý materiál označovaný ako black mass.
Black mass je koncentrovaným zdrojom batériových materiálov
Black mass obsahuje materiály z aktívnych častí batériových článkov. Jej presné zloženie závisí od chémie batérie. Pri článkoch typu NMC sú z pohľadu ďalšieho spracovania významné najmä nikel, mangán, kobalt a lítium. Práve preto je dôležité vedieť, aké batérie vstupujú do recyklačného procesu. ShredCo chce podľa Marty Tomišovej jednotlivé chemické typy spracúvať pokiaľ možno oddelene. Miešanie rôznych chemických zložení môže totiž ovplyvniť zloženie a čistotu výslednej black mass. Čím kvalitnejší a homogénnejší je vstup do ďalšieho spracovania, tým jednoduchšie možno získať materiály s parametrami potrebnými pre ďalšie priemyselné využitie.
Mechanická linka je iba prvá polovica príbehu
Vznikom black mass sa recyklácia nekončí. Mechanické spracovanie síce oddelí veľkú časť kovov, plastov a ďalších materiálov, ale nikel, kobalt, mangán či lítium zostávajú súčasťou komplexnej zmesi. Na ich ďalšie získanie treba chemické procesy.
V prezentácii boli predstavené tri základné prístupy:
- pyrometalurgia,
- hydrometalurgia,
- priama recyklácia – direct recycling.
Každý z nich pristupuje k získavaniu materiálov odlišným spôsobom a predstavuje inú kombináciu technologickej náročnosti, energetickej spotreby, výťažnosti a výsledného produktu.
Pyrometalurgia využíva vysoké teploty
Pyrometalurgické spracovanie využíva vysoké teploty na spracovanie batériových materiálov a separáciu vybraných kovov. Ide o technologicky etablovaný postup, jeho nevýhodou však môže byť strata časti materiálovej hodnoty a potreba ďalších krokov, ak má výsledok opäť dosiahnuť kvalitu požadovanú pri výrobe batérií. Marta Tomišová upozornila, že samotná pyrometalurgia nie je z pohľadu budúcich recyklačných cieľov optimálnym konečným riešením pre závod ShredCo. Firma preto uvažuje najmä o ďalšom chemickom spracovaní, ktoré umožní dosiahnuť vyššiu mieru návratu cenných materiálov.
Hydrometalurgia získava kovy pomocou chemických procesov
Druhou cestou je hydrometalurgia. Pri nej sa black mass chemicky spracuje a jednotlivé prvky sa postupne oddelia. Výsledkom môžu byť napríklad zlúčeniny niklu, kobaltu, mangánu a lítia vo forme vhodnej na ďalšie priemyselné spracovanie. Nasleduje ďalšia etapa batériového reťazca: z takto získaných materiálov možno pripraviť prekurzory a následne nový katódový materiál. Ten sa môže vrátiť výrobcom batériových článkov. Práve tu sa začína skutočne uzatvárať materiálový kruh.
Budúcnosťou môže byť priama recyklácia
Treťou cestou, ktorú predstavila prezentácia ShredCo, je direct recycling – priama recyklácia. Jej ambíciou je zachovať väčšiu časť hodnoty existujúceho batériového materiálu a skrátiť počet krokov potrebných na návrat k materiálu vhodnému na výrobu novej batérie. Namiesto úplného rozkladu materiálov na jednoduchšie chemické zlúčeniny sa vývoj snaží dostať čo najbližšie k priamemu obnoveniu aktívneho materiálu. Ide o oblasť, v ktorej stále prebieha intenzívny technologický vývoj.
Pre budúcu ekonomiku recyklácie môže byť zásadné práve to, ako ďaleko v hodnotovom reťazci dokáže recyklátor použitý materiál dostať. Black mass má inú hodnotu ako jednotlivé kovové zlúčeniny a tie majú inú hodnotu ako hotový katódový materiál pripravený na výrobu nových článkov.
Cieľom je vrátiť materiály späť do novej batérie
Najdôležitejšia schéma celej prednášky mala podobu kruhu: Li-ion batérie → drvenie → mechanická separácia → chemické spracovanie → nové aktívne materiály → nové Li-ion batérie.
Práve toto je podstata cirkulárnej ekonomiky batérií. Ak sa podarí nikel, kobalt, mangán, lítium, meď, hliník a ďalšie materiály získať v dostatočnej čistote, nemusia skončiť ako odpad. Môžu sa vrátiť do priemyslu ako suroviny. Recyklácia tak zároveň znižuje množstvo odpadu aj potrebu získavať časť materiálov výlučne z primárnej ťažby.
Európa potrebuje vlastnú recyklačnú infraštruktúru
Význam recyklácie rastie aj preto, že Európa sa snaží budovať vlastný batériový hodnotový reťazec. Nestačí vyrábať elektromobily alebo batériové články. Ak má fungovať skutočne cirkulárny priemyselný systém, región potrebuje aj kapacity na zber, spracovanie a návrat materiálov do výroby. Pripravovaný závod ShredCo v Šuranoch má podľa prezentácie práve túto úlohu.
Projekt má spracúvať až 20 000 ton materiálu ročne a využívať mechanickú technológiu spoločnosti Reckelberg Environmental Technologies – RET, ktorá už podľa ShredCo funguje v Nemecku a Švédsku. Závod má spracúvať výrobný odpad aj batérie po skončení životnosti a postupne rozšíriť proces aj o ďalšie stupne recyklácie.
Minimum odpadu, maximum návratu surovín
Ambíciou ShredCo nie je skončiť iba pri výrobe black mass. Marta Tomišová uviedla, že dlhodobým cieľom je spracovať materiál ďalej priamo v Šuranoch a dostať sa čo najbližšie k surovinám alebo aktívnym materiálom, ktoré možno opäť použiť pri výrobe batérií. Podobná logika má platiť aj pre ostatné materiály.
Hliník a meď môžu smerovať k ďalším spracovateľom, plasty k recyklácii a firma chce v maximálnej miere vracať späť do procesu dokonca aj vodu použitú pri výrobe. Podľa prezentovaného zámeru má výsledný podiel odpadu predstavovať iba veľmi malú časť vstupného materiálu – Marta Tomišová uviedla cieľ najviac približne 2 %. Práve to najlepšie ilustruje rozdiel medzi starým chápaním odpadu a cirkulárnym hospodárstvom. Použitá batéria nemusí byť koncom materiálového reťazca. Môže byť novým zdrojom surovín pre ďalšiu batériu.