Эра электромобилей или эра мертвых батарей?

Европейские правительства заверяют, что к середине столетия полностью откажутся от использования двигателей внутреннего сгорания в своих странах. Знаменитые автоконцерны, вторят им, что в ближайшее время полностью переориентируют производство на электромобили.

Все действия по переходу на электромобили подаются под соусом заботы об экологии.

Однако, эта замечательная “зеленая” повестка мало затрагивает вопрос утилизации отработанных батарей. В принципе, до недавнего времени я считал этот вопрос неразрешимым, а точнее решаться он будет только тогда, когда весь мир, в добавок к горам пластика, заполнят отработанные батареи размером со столешницу кухонного стола или даже больше. И только тогда медиа обратит внимание на эту проблему.

Но тем не менее, не теряя веру в здравомыслие человечества, я решил посмотреть, что пишет по этому вопросу англоязычная пресса и предлагаю вашему вниманию некоторый анализ найденной информации.

Что говорят автоконцерны

Производители автомобилей заявляют об осознании проблемы утилизации и как минимум на словах, пытаются разрешить эту проблему.

По общему мнению, производителей, через 10-15 лет произведенные сейчас батареи выйдут из строя и к этому времени должна быть выстроена инфраструктура по их утилизации.

На данный момент компания «Ниссан», пытается использовать отработанные батареи повторно в автоматизированных средствах доставки запчастей, по-видимому, имеются в виду некие роботы доставщики. «Фольксваген» делает аналогичные заявления, но и утверждает, что строит завод по утилизации батарей, способный переработать 3600 батарей в год на этапе пилотной эксплуатации.

Как отмечает представитель концерна «Фольксваген», в процессе переработке возможно получить различные материалы, например: кобальт, литий, магний, марганец.

Концерн Рено заявляет, что сейчас перерабатывает все батареи произведенных им электромобилей, хотя количество таких батарей невелико и составляет всего около двух сотен в год. Переработку батарей Рено осуществляет в консорциуме с компанией «Veolia» - крупным оператором на мусорном рынке Франции.

В своих планах на будущее, «Рено» заявляет о захвате 25% рынка переработки батарей, что в количественном выражении больше, чем переработка батарей, производимых этим автоконцерном.

Как видно из заявлений - автопроизводители настроены довольно оптимистично, как минимум на данном уровне потребления электромобилей заявляют о возможности переработки батарей.

Давайте попробуем разобраться какие препятствия следует преодолеть в процессе переработки батарей, какие процессы и подходы лежат в основе переработки.

Переработка

Батарея

Конструкция батарей для электромобилей напоминает матрешку. Внутри батареи содержится несколько модулей, каждый из которых состоит из множества ячеек меньшего размера (см. Рисунок ниже). Внутри каждой ячейки располагаются катодные и анодные листы, атомы лития перемещаются через электролит между графитовым анодом и катодным листом, состоящим из оксида металла. Батареи обычно классифицируются по металлам катода. Существует три основных типа: никель-кобальт-алюминий, фосфат железа и никель-марганец-кобальт. Тут я привожу вольную интерпретацию конструкции батареи, наверняка специалисты могут усмотреть множество неточностей, но для понимания сути статьи такого пояснения достаточно.

Несмотря на то, что от производителя к производителю конструкция батарей может различаться, например: «Тесла» использует цилиндрические ячейки, но общие составные части неизменны.

Наиболее ценной частью батареи является катод, который содержит дорогостоящие металлы и именно на извлечение этих металлов направлены старания компаний-переработчиков. Составные же части анода, в основном графит, являются слишком дешевыми и их переработка нецелесообразна экономически.

Однако и добыча дорогих металлов не выглядит простым процессом, так как содержание металлов крайне мало процесс их извлечения похож на поиск иголки в стоге сена.

Рассмотрим основные подходы для извлечения металла.

Извлечение металла

Основными подходами для извлечения металла являются металлургические процессы, которые можно разделить на:

• Пирометаллургические;
• Гидрометаллургические.

Пирометаллургические процессы относятся к батареям как к руде. Батареи сначала измельчаются, а затем подвергаются воздействию высоких температур. Далее обугленная масса металла, пластика и клея переходит в дальнейшие технологические процессы.

Гидрометаллургия же представляет собой процессы растворения батарей в различных кислотах в результате чего получается насыщенный металлами «суп».

Нельзя сказать, что оба подхода полностью независимы. Так или иначе переработка предполагает сочетание двух подходов, дело лишь в превалировании методов.

Оба подхода имеют как положительные, так и отрицательные стороны, например:

• Пирометаллургический подход позволяет брать в переработку любые батареи, не оглядываясь на их производителя, однако имеет колоссальную энергозатратность;
• Гидрометаллургия безусловно более энергоэффективная, но более опасна для работников, так как используемые химикаты весьма токсичны.

Нельзя не сказать, что оба подхода подразумевают большое количество вредных отходов, выбросов парниковых газов, что убивает на корню всю зеленую идею. Более того, основной ресурс за которым охотятся компании переработчики — это кобальт, но производители батарей всеми силами пытаются отказаться от использования этого металла. И в случае окончательного отказа от дорогого металла, компании переработчики вряд ли найдут покупателя на производимую ими “грязь”. Поэтому, крупных инвестиций в столь шаткую экономическую модель мы вряд ли дождемся.

Новые идеи

Исследователи из U.S. National Renewable Energy Laboratory предполагают, что решение выше обозначенных проблем лежит в так называемой “прямой переработки” (direct recycling).

Суть заключается в сохранении катодной смеси и последующей ее реактивации путем добавления небольшого количества лития. Такой подход легче чем пирометаллургические и гидрометаллургические процессы. На картинке ниже прямая переработка обозначена в виде наименьшего круга.

В процессе прямой переработки с помощью вакуума из батарей удаляется электролит и элементы аккумулятора измельчают. Затем удаляют связующие компоненты с помощью нагрева или растворителей и используют технику флотации для разделения материалов анода и катода. После переработки материал катода напоминает детскую присыпку.

Хотя вышеописанный метод внушает оптимизм — это всего лишь экспериментальная технология, которая работает в лабораторных условиях и для ее развития потребуется время.

Кроме незрелости у метода прямой переработки есть недостатки, которые обусловлены не научными рамками, а сложившейся ситуацией на рынке производителей батарей. Например, каждая батарея должна иметь стандартную маркировку, которая точно характеризовала бы ее химический состав и позволяла определить как с ней работать в процессе переработки, а также понять какова ценность перерабатываемых материалов. Другой важный момент - обеспечить стандартную методику разборки батареи, сейчас на разбор батареи от компании «Ниссан» тратится около двух часов времени. Отсутствие унификации батарей не дает возможности создать роботов, которые смогут ускорить разборку батареи и уменьшить трудозатраты переработки. Но, даже после того, как вы доберетесь до ячейки вас ждут дополнительные трудности - клей который связывает компоненты. Некоторые растворители позволяющие работать с этими видами клеев настолько токсичны, что запрещены для использования в Евросоюзе.

Заключение

Начало статьи выглядело достаточно позитивно, так как основана она на промо материалах автоконцернов, однако дальнейшее углубление в процессы переработки начинают отрезвлять.

Понятно, что для успешной кампании по утилизации батарей потребуется эффект масштаба, который должен оптимизировать и, следовательно, удешевить все процессы переработки, но этот эффект масштаба должен опираться на унификацию батарей.

Но батарея является, пожалуй, важнейшей частью электромобиля и каждый автогигант вложил значительные средства в ее разработку и по существующим законам рынка должен всеми силами защищать свое “ноу-хау”.

Налицо неразрешимый конфликт интересов.

В современном, пока еще “углеводородном” автомобильном рынке можно встретить различные коллаборации производителей, когда двигатели одной марки находят применение в другой. Некоторые молодые производители могут даже купить лицензию на производство двигателей более авторитетной марки. Но даже это сотрудничество, в основном, базируется на передаче уже достаточно устаревшей технологии своим менее развитым коллегам. Редко когда можно увидеть, чтобы именитый бренд отдал свою новейшую силовую установку. Хотя двигатель внутреннего сгорания уже имеет довольно длинную историю и казалось бы, что там нечего изобретать. Мы же говорим о рынке и технологиях, которые только начинают свой рост и каждому игроку надо доказать, что он “быстрее, выше, сильнее”.

К сожалению, кажется, что нас пересадят на электромобили в административном порядке. Производители пролоббируют закон об утилизации батареи за счет потребителя, так как не смогут добиться нужной эффективности. Обеспечить должную переработку не получится, даже с дополнительным финансированием, в связи с ограничениями по охране труда. И поедут отработанные батареи в какие-нибудь страны третьего мира, где будут лежать многие годы напоминания о благородных зеленых инициативах.