Ученые НИТУ «МИСиС» разработали технологию переработки литиевых батарей

 © stimul.online

Специалисты НИТУ «МИСиС» разработали универсальный метод вскрытия отработанных батарей при помощи криогенно-вакуумной установки, которая является их ноу-хау и защищена патентом. Этот дешевый и безопасный способ представляет собой полный инжиниринговый цикл — от безопасного вскрытия и определения количества техногенного сырья, подлежащего извлечению и рециклингу, до внедрения линий переработки. Авторы разработки рассказали корреспонденту интернет-журнала об инновациях в России «Стимул» о проблемах, связанных с утилизацией литиевых батарей, и о подходах МИСиС к их решению.

Переработка литиевых батарей позволит снизить их себестоимость примерно на 30-40% и решить проблему безопасного и экологичного хранения. Технология может быть использована в рамках программы развития электротранспорта в Москве. Проблема утилизации аккумуляторов в российской столице стоит особенно остро, ведь по количеству единиц общественного электротранспорта Москва сейчас — лидирует среди европейских мегаполисов: на московских дорогах работают более 600 электробусов, сеть проката электросамокатов насчитывает около 300 единиц. В Москве зарегистрировано более 10% электромобилей России.

ВЫРАБОТАТЬ КУЛЬТУРУ УТИЛИЗАЦИИ

Преимущества использования электромобиля многочисленны и всем известны: снижение уровня CO₂ в атмосфере, уменьшение шумового загрязнения в городах, экономия топлива и более эффективный расход энергоресурсов. Однако аккумуляторные батареи содержат токсичные химические вещества, которые нельзя выбросить на мусорный полигон.

«Проблемы в самой утилизации нет никакой, просто, к сожалению, пока нет культуры внутри страны, — рассказал „Стимулу“ директор Центра инжиниринга промышленных технологий НИТУ „МИСиС“ профессор Вадим Тарасов. — Но потихонечку ситуация выправляется. Утилизация источников тока была реализована в полном объеме, на мой взгляд, на свинцово-кислотных батареях. Чуть хуже на никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных. А что касается технологий на основе лития, они как родились немного элитно-неприкаянными, так это и продолжается».

В странах Евросоюза сбор и переработка аккумуляторов уже давно поставлены на поток. Источники тока собирают в каждом магазине электроники. Посетители бросают отработанные батареи в небольшие коробочки. А дальше специально обученный человек выходит из подсобки, забирает эту коробочку и ставит новую.

«Я заходил в эти подсобки, — говорит Вадим Тарасов. — Сотрудник сортирует содержимое как минимум на три-четыре класса изделий. Литий убирается отдельно, солевые, никелевые, щелочные — отдельно. Может быть еще герметичный свинец и так далее. Потом приезжает машина, забирает отсортированные элементы и отвозит на переработку. Перерабатывают в Европе в нескольких местах, не в каждой стране это сделано. И еще, если вспомнить Илона Маска, можно заметить, что, прикупив заводы по производству источников тока, планируя строить свои фабрики по производству аккумуляторов, он одновременно приобрел и химико-металлургические предприятия, чтобы их перерабатывать».

ТАРАСОВ.jpg © stimul.online

Директор Центра инжиниринга промышленных технологий НИТУ «МИСиС», профессор Вадим Тарасов. Источник: НИТУ «МИСиС»

ТОКСИЧНЫЕ «БОМБЫ»

Большинство электромобилей работает на литий-ионных батареях, их создание — это сложный технологический процесс, который включает в себя добычу редкоземельных металлов и их транспортировку на большие расстояния, что само по себе наносит вред окружающей среде. Часть из них добывается в странах, находящихся под санкциями или со сложной политической ситуацией и условиями труда. При этом утилизация аккумуляторов после срока выработки ресурса — довольно сложный и взрывоопасный процесс.

«На сегодняшний день промышленностью реализовано более 50 электрохимических систем, и для каждой из них необходим свой метод вскрытия и извлечения полезных компонентов, — поясняет Вадим Тарасов. — А что такое электрохимическая система? Литий — это хороший восстановитель, а окислитель можно взять любой, он дает электрохимическую пару. Это могут быть металлы. Могут быть, как в литий-ионных батареях, сложные материалы на основе кобальта, никеля, марганца, железа и так далее. Производитель экспериментирует, и в зависимости от задачи ставит нужные противоэлектроды».

Если бы речь шла только о литии, то он никакой угрозы не представляет. Это один из самых распространенных металлов в природе. Он есть практически везде, только находится в связанном состоянии. Если бы его из батареи вытащили и выбросили, никаких проблем бы не было. Он либо мгновенно окисляется, либо взаимодействует с азотом воздуха и превращается в нейтральное соединение.

«Чтобы машина работала зимой, мы должны добавить в аккумулятор специальный компонент — довольно сложную трех-, четырех-, пятикомпонентную органику. Основной растворитель — пропиленкарбонат с добавлением эфиров. Эфиры и дают источникам тока возможность работать при отрицательных температурах. И вся эта гамма должна быть переведена в какие-то нейтральные соединения. Возвращена в виде полезного компонента либо просто отправлена на свалку».

Но основная проблема в том, что литий — мощный восстановитель, он очень реакционноспособен и взаимодействует с чем угодно. И чтобы не было паразитных электрохимических процессов в источнике тока, систему герметично закрывают.

«И еще, ведь мы хотим поместить в батарею как можно больше электроэнергии, возникает высокая плотность электроэнергии в замкнутом объеме. А это значит, что система пожаро- и взрывоопасна. Сейчас, конечно, активно работают над решением этой проблемы. Фосфат железа, который используется в литий-ионных батареях для электробусов, — максимально безопасное вещество. Но это не значит, что опасность сведена к нулю. К примеру, в некоторых вооружениях применяется литий-тионилхлоридная система, очень энергоемкая. Разлет осколков при взрыве — до 250 метров».

БАТ1.jpg © stimul.online

По словам Вадима Тарасова, большая проблема еще и в том, что разработчик, который делает батареи, совершенно не думает, что с ними будет дальше. Прошли времена Советского Союза, когда предприятию в технических условиях вменяли также разработку технологии утилизации батареи. Источник: НИТУ «МИСиС»

ОСНОВНАЯ ПРОБЛЕМА — В РАЗБОРКЕ

Проблему повторного использования аккумуляторов или их утилизации надо решать как можно скорее, ведь, по расчетам Bloomberg NEF, мировой запас батарей электромобилей будет превышать 3,4 млн единиц уже к 2025 году.

Специалисты МИСиС разработали универсальный метод вскрытия отработанных батарей при помощи криогенно-вакуумной установки, которая является их ноу-хау и защищена патентом.

«Никаких новых методов переработки у нас нет. Мы, как химики и металлурги, обладаем набором штатных технологий гидрометаллургического и пирометаллургического цикла, мы можем переработать любую батарею. Наше ноу-хау — безопасное вскрытие батарей».

У каждого типа аккумуляторов свои нюансы. Надо хорошо разбираться в химии и электрохимии, понимать, в каком состоянии доставлена батарея. К примеру, на переработке в НИТУ «МИСиС» сейчас находятся литий-диоксидмарганцевые батареи большой мощности и большого размера, примерно с письменный стол, они снимаются с устаревшего вооружения.

«И мы знаем, каким образом их вскрывать, — говорит Вадим Тарасов. — Когда из этой батареи изымается электродный пакет, литий продолжает окисляться и гореть даже в воде. А если мы таким же образом начнем вскрывать литий-тионилхлоридную батарею — она взорвется. Потому что там, где они используются, в газо- и нефтедобыче, их до конца не разряжают. Оборудование намного ценнее, чем сама батарея. И поэтому, боясь его утратить, специалисты снимают батареи в недоразряженном виде, остается примерно 30-40 процентов емкости. И вот эти 30-40 процентов крайне опасны. Если посмотреть на разрядную характеристику литиевого источника тока, она идет горизонтально, где-то в районе трех вольт практически на протяжении всего жизненного цикла батареи. Но в самом конце, когда в нем остается порядка 10-15 процентов разряда, он перескакивает на вторую ступеньку, примерно 2,2-2,4 вольта. И на этой ступеньке возможен взрыв».

По словам Вадима Тарасова, большая проблема еще и в том, что разработчик, который делает батареи, совершенно не думает, что с ними будет дальше. Прошли времена Советского Союза, когда предприятию в технических условиях вменяли также разработку технологии утилизации батареи.

«Вопрос технологичности переработки сейчас не предусмотрен, — сетует исследователь. — Батарея залита в компаунде, то есть в смоле. И как ее вскрывать? Как хочешь, так и вскрывай. Если при обычных условиях это делать, будет взрыв. Мы применяем криотехнику, вскрываем батареи при пониженных температурах».

Новая технология позволяет извлекать из аккумуляторных батарей литий и диоксид марганца. Она представляет собой многоступенчатую цепочку, которая включает в себя извлечение элементов аккумулятора, получение в ходе выщелачивания нержавеющей стали, никеля и титана, а также ряд отдельных химических операций по выделению лития из раствора. В результате на выходе получается отработанный электролит, который идет на утилизацию, а также ценные металлы: сталь, никель, титан и литий.

БАТ2.jpg © stimul.online

Новый метод поможет также решить проблему импортозамещения. Значительная часть материалов для производства аккумуляторов закупается за рубежом, а команда МИСиС готова возвращать их после переработки. Источник: НИТУ «МИСиС»

К ВНЕДРЕНИЮ ГОТОВЫ

Метод позволяет встроиться в существующие технологические цепочки на предприятиях и не требует значительных вложений в переоборудование. По оценкам разработчиков, технологию возможно внедрить на предприятиях московского региона уже в 2021-2022 годах.

«Мы готовы к внедрению, у нас уже есть индустриальные партнеры, — рассказывает Вадим Тарасов. — И в ближайшее время мы должны перейти к практическим решениям, с реализацией в Центральной России. Я был на совещании с представителями крупных торговых сетей. Они возмущались: „Почему мы не можем найти возможность переработки батарей в Центральном регионе и нам приходится вывозить их в Челябинск, через всю страну?“».

Новый метод поможет также решить проблему импортозамещения. Значительная часть материалов для производства аккумуляторов закупается за рубежом, а команда МИСиС готова возвращать их после переработки. «А если подсчитать экономическую выгоду, — говорит Вадим Тарасов, — то только на металлическом литии, по нашим расчетам, получается экономия в 70 процентов».

Алексей Андреев

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.