Электромобили считаются экологичной заменой машин на бензиновых и дизельных двигателях. Во всем мире стимулируется их производство и использование. Однако, аккумуляторы, которые используются в электромобилях, требуют большого количества ценных металлов, имеют ограниченный срок действия и весьма дороги в переработке. Что нужно сделать, чтобы в ближайшее время они не стали губительны для экологии планеты?
К 2030 году по дорогам мира будет ездить 145 млн электромобилей.
Многие автогиганты смело заявляют, что вообще перестанут выпускать машины с бензиновыми и дизельными двигателями. Например, General Motors грозится сделать это к 2035 году, Audi — к 2033. Правительства многих стран принимают документы, регулирующие этот процесс.
Но даже пока столь радикальные меры еще не приняты, в эксплуатации находится около 10 млн электромобилей. Рекорд их продаж — 3,1 млн единиц — был поставлен в 2020 году, несмотря на «коронавирусные» трудности для всей автомобильной отрасли.
Но нет ничего вечного. По одной из оценок, до 2030 года ожидается вывод из эксплуатации более 12 млн тонн литий-ионных батарей. Они уже потребовали огромного количества сырья для производства, а теперь угрожают появлением большого числа отходов.
В этих условиях возникает две проблемы, требующих решения. Первая — как сократить в батареях количество редких и дефицитных металлов, а также неэкологичных и сложных в добыче веществ. Вторая — как улучшить переработку аккумуляторов, чтобы ценные материалы, которые в них содержатся, можно было использовать повторно.
Отказа от литий-ионных батарей в ближайшее время не ожидается и, скорее всего, они будут доминировать. С момента выхода на рынок в 1990-х годах, их производительность возросла, а стоимость упала в 30 раз. Тенденция продолжается, и по прогнозам через 2 года стоимость упадет еще на 20% — ниже 100 долларов за 1 КВт/ч. В итоге к середине 2020-х годов электромобили должны сравняться по цене с обычными автомобилями.
Количество металлов, используемых в аккумуляторах, различается в зависимости от типов самих батарей и моделей электромобилей, но цифры высоки. Например, в литий-ионном аккумулятора NMC532 содержится около 8 кг лития, 35 кг никеля, 20 кг марганца и 14 кг кобальта.
Сам по себе литий дефицитом не является. По оценкам ученых, текущие запасы этого металла — 21 млн тонн. Но увеличение его добычи принесет дополнительные проблемы для окружающей среды. Литий извлекают из горной породы или из соляных озер. В первом случае требуется большое количество электроэнергии, во втором — воды. Последний способ менее вредный, так как появились современные методы получения лития из геотермальной воды с использованием геотермальной же энергии.
Большее беспокойство вызывает ситуация с кобальтом — наиболее ценным материалом в современных аккумуляторах для электромобилей. 2/3 добычи происходит в Демократической Республике Конго. Рабочие трудятся в очень вредных для здоровья условиях — кобальт токсичен при неправильном обращении, а никакие нормы, конечно, не соблюдаются. При этом часто используется детский труд.
Многие научные лаборатории сейчас экспериментируют, пытаясь использовать в катодах меньшее количество кобальта или даже вовсе обойтись без него. До последнего времени это приводило к снижению удельной ёмкости батарей. Но, недавно в Техасском университете в Остине кобальт удалось заменить сочетаниями других металлов, сохранив при этом нужные характеристики. Производители Tesla также заявляют, что намерены в ближайшие несколько лет исключить из своих аккумуляторов кобальт.
Однако, исчезновение кобальта из состава батарей может привести к другой проблеме. Ведь именно этот металл делает выгодной переработку отслуживших срок аккумуляторов. Добыча остальных, особенно лития, обходится гораздо дешевле, чем переработка.
Сейчас, как правило, отслужившие срок аккумуляторы измельчают, в результате чего образуется порошкообразная смесь всех используемых материалов. Затем эта смесь распадается на элементарные составляющие путем расплавления и сжижения, либо растворения в кислоте.
После чего металлы осаждаются из раствора в виде солей. Задача ученых — сделать этот процесс как можно более продуктивным и экономичным.
Большинство литий-ионных аккумуляторов производится в Китае, Японии и Южной Корее. Соответственно там же наиболее быстрыми темпами развивается переработка. Например, расположенная в Китайском Фошане компания Guangdong Brunp может перерабатывать 120 тыс. тонн батарей в год и способна восстановить большую часть лития, кобальта и никеля. Тем более что в Китае на государственном уровне стимулируется и поощряется деятельность компаний, покупающих материалы у компаний по переработке, а не у добытчиков.
В США же пока всячески поддерживаются производители аккумуляторов для электромобилей, которые пока не причислены к опасным отходам, нуждающихся в особой утилизации.
Европейская комиссия предложила вводить строгие требования к переработке аккумуляторов поэтапно, с 2023 года.
ЕС и государственно-частное партнерство Global Battery Alliance (GBA) пытаются разработать цифровой «паспорт» — электронную запись для каждого аккумулятора, которая будет содержать информацию обо всем его жизненном цикле.
Однако, по мнению экспертов, лучшим решением проблемы может стать увеличение срока службы аккумуляторов. Британскому стартапу Aceleron удалось разработать технологию, по которой элементы аккумулятора в процессе производства не свариваются, а скрепляются с помощью зажимов. Соответственно, в случае возникновения неисправности в одном из его компонентов, последний можно открепить и заменить. Таким образом, аккумулятор прослужит дольше.
Кроме того, использование этих батарей в электромобилях может стать только «первой жизнью». Вторую они могут получить, накапливая избыточную энергию, генерируемую солнечными или ветряными электростанциями.
Такой опыт уже есть. В Великобритании энергетическая компания Powervault оснастила батареями Renault бытовые системы накопления энергии.
Энергетическая компания Enel Group сейчас использует 90 аккумуляторов, отработавших на электромобилях Nissan Leaf, в хранилище энергии в испанском Мелилье. Стадион Johan Cruijff Arena в Амстердаме также в качестве системы хранения энергии использует в том числе отработавшие свой срок аккумуляторы этой марки.
Такое применение позволит вывести из использования для подобных целей традиционные свинцово-кислотные аккумуляторы.
По статистике, только 60% их количества установлено в автомобилях. 20% применяют как раз для хранения избыточной солнечной энергии, главным образом это характерно для африканских стран. Но в жарком климате аккумуляторы служат около двух лет, после чего чаще всего оказываются на заднем дворе, ведь на всем континенте есть всего несколько предприятий, занимающихся их переработкой. Специалисты считают, что литий-ионные аккумуляторы станут менее токсичной и более долговечной альтернативой.
По материалам: nature.com, theguardian.com, canalys.com, e-cars.tech, electrek.co, insideevs.ru
