Od odzysku pierwiastków do odtworzenia materiałów

Recykling zużytej baterii można prowadzić na różne sposoby. Jednym z nich jest rozłożenie materiału na składniki i odzyskanie zawartych w nim metali. Taki proces pozwala wrócić do obiegu surowcom, ale jego końcowy produkt nie musi zachowywać pierwotnej wartości elektrody.

W badaniu opisanym w Advanced Energy Materials przyjęto ambitniejszy cel. Mieszany odpad z akumulatorów litowo-jonowych potraktowano jako źródło materiałów, które można ponownie przygotować do pracy w ogniwie. Zamiast zatrzymać się na odzyskaniu pojedynczych pierwiastków, autorzy połączyli regulację składu i resyntezę materiału katodowego z oczyszczaniem oraz modyfikacją grafitu.

To podejście można nazwać upcyklingiem materiałowym. Chodzi w nim o podniesienie wartości odpadowej frakcji przez nadanie jej składu i właściwości potrzebnych w nowym zastosowaniu. W tym przypadku obie elektrody miały później trafić do tego samego pełnego ogniwa.

Problem zaczyna się już na wejściu. Mieszany odpad nie jest jednorodnym surowcem o z góry znanym składzie. Poszczególne materiały katodowe mogą różnić się zawartością niklu, a grafit z anody może wymagać usunięcia zanieczyszczeń i dodatkowej obróbki. Dlatego samo oddzielenie frakcji nie wystarcza. Trzeba jeszcze doprowadzić ją do postaci, w której będzie działała jako część elektrody.

Jak z mieszanego odpadu powstały katoda i anoda

Pierwszym elementem nowej pary elektrod była katoda NMC622. Jej nominalny skład zapisuje się jako \mathrm{LiNi_{0,6}Mn_{0,2}Co_{0,2}O_2}. Litera NMC oznacza materiał zawierający nikiel, mangan i kobalt, a liczby opisują ich względne udziały w części metalicznej związku.

Materiał wyjściowy pochodził z mieszanych katod o niższej zawartości niklu. Autorzy nie przedstawili więc procesu jako prostego oczyszczenia odpadu. Skład odpadowej frakcji wyregulowano, a następnie przeprowadzono resyntezę, aby otrzymać materiał o kontrolowanej kompozycji NMC622. Taka zmiana ma znaczenie funkcjonalne. Celem nie było uzyskanie dowolnego proszku zawierającego potrzebne pierwiastki, tylko katody zdolnej do pracy w kolejnym ogniwie.

Drugą elektrodę stanowił odzyskany grafit. Po oczyszczeniu został on poddany modyfikacji. W opisie wyników autorzy wiążą poprawę jego działania z kinetyką procesów międzyfazowych oraz większą trwałością. Procesy międzyfazowe zachodzą na granicy elektrody i elektrolitu, gdzie podczas ładowania oraz rozładowywania tworzą się warstwy i zachodzą reakcje wpływające na transport jonów litu.

W przypadku katody wskazywanym mechanizmem poprawy były lepszy transport jonów litu i stabilność cykliczna. Te dwa elementy są ze sobą powiązane. Ogniwo musi umożliwiać przemieszczanie jonów podczas kolejnych cykli, a jego materiały nie powinny przy tym szybko tracić swoich właściwości.

Dostępne informacje nie obejmują pełnych parametrów procesu ani bilansu materiałowego. Wiadomo jednak, jaki był jego zasadniczy cel: zmienić skład i właściwości odpadowych frakcji tak, aby z katody oraz anody dało się zbudować działające ogniwo.

Test, który obejmował całe ogniwo

Najważniejszy sprawdzian nie polegał na zmierzeniu właściwości samej katody albo anody. Z odzyskanych i przetworzonych materiałów zbudowano pełne ogniwa typu pouch, czyli płaskie ogniwa zamknięte w elastycznej obudowie. Zarówno katoda, jak i anoda pochodziły z opisywanej ścieżki upcyklingu.

Według artykułu takie ogniwo zachowało 70 procent początkowej pojemności po 2590 cyklach ładowania i rozładowywania. Autorzy opisali jego trwałość cykliczną jako około dwukrotnie większą niż w ogniwach wykonanych z porównywanych materiałów komercyjnych. To porównanie dotyczy ogniw przygotowanych w ramach tego badania. Nie jest dowodem przewagi nad wszystkimi akumulatorami dostępnymi na rynku.

Wynik na poziomie pełnego ogniwa ma inną wagę niż obiecujące parametry pojedynczej elektrody. Katoda i anoda pracują w nim razem, a ich zachowanie zależy także od kontaktu z elektrolitem oraz od procesów zachodzących na granicach faz. W badaniu upcyklingowane ogniwa wykazywały mniej reakcji ubocznych. Autorzy wiążą ich działanie z transportem jonów litu w materiale katodowym, stabilnością cykliczną oraz korzystniejszą kinetyką procesów międzyfazowych w graficie.

Właśnie tu zmienia się sens słowa „odzysk”. Materiał odpadowy nie został oceniony wyłącznie jako zbiór pierwiastków, które można ponownie wykorzystać. Sprawdzono, czy po przekształceniu zachowa funkcję elementu magazynującego energię, a następnie czy obie odtworzone elektrody będą wspólnie pracować przez długi czas.

Co ta ścieżka może zmienić w rachunku recyklingu

Dłuższa praca ogniwa to tylko jedna część oceny. Recykling ma sens także wtedy, gdy proces wykorzystuje znaczną część materiału wejściowego i nie wymaga tak dużych nakładów energii, że korzyści środowiskowe znikają po drodze.

Autorzy zestawili opisywaną ścieżkę z określoną referencyjną trasą recyklingu. W techniczno-ekonomicznej analizie procesu wskazali ponad 95-procentowe wykorzystanie materiałów pochodzących z recyklingu oraz wzrost rentowności o 22,9 procent. W analizie cyklu życia oszacowali z kolei redukcję emisji gazów cieplarnianych o 27,0 procent i zużycia energii o 29,4 procent względem tej ścieżki referencyjnej.

To są wyniki modelowania, a nie pomiary wykonane w działającej instalacji przemysłowej. Model pozwala przeliczyć, co mogłoby się wydarzyć przy określonej konfiguracji procesu, lecz jego rezultat zależy od przyjętych danych i założeń. Znaczenie mają między innymi skład wsadu, ceny surowców, koszt oraz źródło energii, transport, wydajność procesu i skala zakładu.

Dlatego musimy być jeszcze sceptyczni czy te liczby dadzą radę skalować się na przemysłowy recycling baterii. Pokazują raczej, że zachowanie wartości materiałów elektrodowych może zmienić rachunek całego procesu, jeżeli z odpadu powstają ponownie komponenty katody i anody, a nie wyłącznie surowce do dalszej obróbki.