Оборудование для переработки Li-ion аккумуляторов: технологии и решения

Прогресс всегда вступал в противоречие с экологией. Это коснулось и распространения электромобилей, электронных приборов и источников «чистой» энергии. Широко пропагандируемая «полезность» перечисленных устройств умалчивает о проблемах, которые создает их производство, а главное – утилизация. 

Дело в том, что практически вся электроника снабжена литий-ионными аккумуляторами (Li-ion аккумуляторы или ЛИА). По прогнозам Доктора Элизабет Грин, рынок переработки ЛИА постоянно растет (около 26,6% в год), и к 2033 г. может достичь $ 85.69 млрд. Такой тем роста обусловлен несколькими факторами: экономические выгоды, сокращающие добычу лития и других редких ископаемых; снижение экологической нагрузки на производство (предприятия по добыче и переработке лития потребляют большое количество воды и электроэнергии); следование принципам «зеленой экономики». 

Рассмотрим подробнее, из чего состоят Li-ion аккумуляторы и почему выгодна их переработка. 

Особенности Li-ion аккумуляторов и их компонентов

Любой человек, у которого были старые модели сотовых телефонов (со съемной задней панелью), знаком с плоской черной коробочкой, находящейся внутри: каждый пользовался батарейками для фонарика, пульта и т.п. Это, собственно, и есть Li-ion аккумуляторы. И чаще всего мы просто выбрасываем старые телефоны, севшие батарейки и прочие накопители электроэнергии, не задумываясь, что выкидываем живые деньги, при этом еще и нанося природе непоправимый вред. 

Конструкция Li-ion аккумуляторов 

Коротко объясним «устройство» ЛИА. Основные составляющие в устройстве литий-ионного аккумулятора – это электроды: слой катода на алюминиевой фольге и слой анода на фольге из меди. В роли катода выступают соединения лития, в роли анода обычно выступает графит. Разделяет электроды пористый сепаратор, пропитанный электролитом на основе этилен-карбоната. Снаружи на элементы питания наносится герметичная оболочка из алюминия, стали или полимерного материала. 

Почему использованные батарейки не стоит хранить или пытаться «разобрать» 

Из новостей известны случаи взрывов и возгораний сотовых телефонов или электромобилей. Но это ЛИА, находящиеся в эксплуатации. А как часто батарейка попадает просто в мусорный пакет! При этом никто не задумывается, какой опасности он подвергает себя и окружающих. 

Основная проблема при неправильном хранении или утилизации Li-ion аккумуляторов – возможность возгорания. Загореться «сам по себе» ЛИА может в следующих случаях: 

• избыточная зарядка – при зарядке батареи сверх положенной емкости внутри ЛИА скапливается газ и повышается давление. Если элемент не снабжен клапаном для сброса давления, он может взорваться и загореться;
• перегрев – при нагревании происходит такая же реакция (поэтому не стоит оставлять приборы на батарейках под прямыми солнечными лучами или в местах с повышенной температурой);
• короткое замыкание – при соприкосновении катода и анода возникает короткое замыкание, такая ситуация может возникнуть в результате механического давления, удара и т.п.;
• трещины и проколы в батарее. 

Все эти ситуации могут произойти при неправильной утилизации даже простой «пальчиковой» батарейки. При этом не стоит забывать, что происходит потеря вторичного сырья, которое снова может поступить в переработку. 

Этапы переработки Li-ion аккумуляторов 

Для грамотной организации процесса переработки необходимо понимать основные этапы:

• 1 этап – сбор и сортировка использованных Li-ion аккумуляторов. Традиционно для сбора и сортировки необходимо организовать пункты приема и сортировочные цеха. К сожалению, те мусорные контейнеры, которые стоят в супермаркетах в недостаточной степени выполняют свои функции. На этом этапе происходит классификация ЛИА по типу и состоянию.
• 2 этап – разрядка ЛИА и удаление электролита. Этот этап необходим именно для предотвращения внештатных ситуаций.
• 3 этап – непосредственно переработка. Она может производиться тремя способами – пирометаллургическим, гидрометаллургическим и методом прямой переработки.
• 4 этап – извлечение ценных металлов, таких как литий, кобальт, никель и марганец. 

Более наглядно процесс переработки представлен на рис.1:

Оборудование для переработки Li-ion аккумуляторов 

Как правило, оборудование для переработки ЛИА представлено в виде линий, состоящих из: 

• измельчителя – машины, используемой для разделения крупных Li-ion аккумуляторов на более мелкие части;
• гранулятора – машины, производящей измельчение батареек и частей крупных ЛИА на более мелкие фракции (для удешевления транспортировки);
• системы пиролиза – станка, производящего удаление диафрагм, электролитов, органических материалов и других загрязнений;
• сепаратора – машины, отделяющей более легкие материалы от более тяжелых;
• системы разделения (в зависимости от процесса переработки используются разные агрегаты);
• системы удаления – машины, производящей отделения медно-алюминиевой смеси, черного порошка и черного порошка на отделенной медно-алюминиевой смеси;
• системы очистки хвостовых газов – хвостовые газы пиролиза перед выбросом обрабатываются в соответствии со стандартами защиты окружающей среды. 

В настоящее время на рынке наибольшей популярностью пользуются станки и оборудование: линия переработки LiBs (поставщик Genox), линия переработки «КРАБ» (производитель ООО «ИРИСМАШ»), линия по переработке литиевых батарей (LCO, Китай) (поставщик «Метасила»), оборудование Zhangjiagang PULIER Machinery Co., Ltd (Китай) и т.д. 

Преимущества переработки Li-ion аккумуляторов

В последние годы в России наблюдается активизация инвестиционных проектов, связанных с созданием инфраструктуры для переработки отходов. Это становится особенно актуальным в контексте законодательства, регулирующего обращение с отходами, и требований к экологической безопасности, стремления к достижению целей устойчивого развития и внедрения концепции циркулярной экономики. 

Важнейшими направлениями в этой области являются строительство современных перерабатывающих заводов, развитие практики по раздельному сбору отходов, а также внедрение новых технологий их переработки. Индустрия переработки литиевых батарей вносит свой вклад и в экологическую безопасность, и в экономический рост. Экологический аспект выражен в уменьшении потребности в добыче первичного материала. Переработка снижает экологическую нагрузку от добычи лития, включая высокое потребление воды и энергии, разрушение среды обитания и загрязнение. 

С экономической точки зрения перерабатывающая промышленность помогает значительно стабилизировать цепочку поставок лития, поскольку цены на сырье колеблются. Недавно цены на литий резко выросли из-за высокого спроса и ограниченных мощностей по добыче, что подчеркивает важность переработанного лития как экономически эффективной альтернативы. 

Сегодня в России успешно функционируют ряд предприятий, специализирующихся на переработке Li-ion аккумуляторов: 

• «Русский кобальт» (г. Екатеринбург);
• Группа компаний «Мегаполисресурс» (г. Челябинск);
• «Акрон СКРАП» (г. Березовский);
• «Эко-Центр» (г. Москва) и другие.

Современные тенденции и инновации в переработке 

Глобальные мощности по переработке в 2023 году превысили 2023 ГВт-ч, при этом на долю Китая приходится более 80%. При этом наблюдается ряд тенденций, свойственных для всех стран, следующих принципам «зеленой» экономики: 

• Снижение расходов на производство ЛИА. Эффективность производства повышается, в том числе и в связи с использованием переработанного лития. Внедрение инноваций, роботизация и автоматизация процессов значительно сокращают разницу в цене первичного и переработанного лития.
• Переработка литиевых батарей поддерживает цикличность экономики за счет повторной интеграции ценных материалов в производственный цикл, снижения воздействия горнодобывающей промышленности на окружающую среду и снижения углеродные следы. Переработка может предотвратить дефицит ресурсов, одновременно способствуя устойчивому росту за счет сохранения ресурсов в обороте.
• Политическая поддержка «зеленых» инициатив в разных странах. 

Перспективы развития переработки Li-ion аккумуляторов 

Индустрия переработки вторичного сырья, в том числе и литиевых батарей, имеет большие перспективы для развития. Прежде всего это связано с бурным развитием отрасли возобновляемых источников энергии и электроники. По прогнозам аналитиков, к 2030 году глобальная инфраструктура переработки будет удовлетворять большую часть потребностей сектора электромобилей, замкнув цикл производства и поставок аккумуляторов. 

Успешность реализации проектов в области переработки ЛИА напрямую зависит от наличия развитой инфраструктуры, законодательной поддержки и государственной политики. В России заметен рост интереса как к государственным программам, так и к частным инвестиционным инициативам, однако для достижения большего эффекта необходимо улучшение взаимодействия между государственными органами и частным сектором. На этом этапе важно создавать совместные инициативы и программы, которые могут стимулировать частные инвестиции в «зелёные» технологии. 

Переработка Li-ion аккумуляторов – это решение проблемы нехватки ресурсов и важный компонент зеленой экономики. По мере сближения технологических достижений и политической поддержки отрасль готова трансформироваться в замкнутый технологический цикл, где производство ЛИА во много будет обеспечиваться сырьем из отслуживших свой срок элементов. Это в перспективе способно создать устойчивую альтернативу добыче первичного материала.