Kako reciklirati litij-ionske baterije iz električniih automobila

Nema elektromobila bez baterija, no ni baterija bez recikliranja. Na duže staze, naravno. Imamo li za to tehnologiju?

Nenad Raos subota, 9. siječnja 2021. u 06:15

Ako bismo htjeli u dvije riječi sažeti razvoj kemijske tehnologije i kemije uopće, mogli bismo reći: „Manje vatre – više vode“. Danas se soda proizvodi uvođenjem ugljikova dioksida u vodenu otopinu kuhinjske soli i amonijaka (Solvayev postupak); prva je pak soda proizvedena, u osvit Francuske revolucije, žarenjem krede s ugljenom i natrijevim sulfatom, Glauberovom solju (Leblancov postupak). Idući još dalje u povijest možemo vidjeti da je prvi kemijski reagens koji je čovjek upoznao bila vatra dok je tekuće reagense (lužine i kiseline) otkrio tek prije tisuću godina. Alkemičar je bio philosophus per ignem (mudrac od vatre), danas je kemičar majstor kapanja i pretakanja: plinski plamenik već se rijetko vidi u kemijskom laboratoriju. Nekoć su kemijski pogoni nalikovali kovačnicama, danas kuhinjama.

Opće načelo „manje vatre – više vode“ možemo primijeniti i na gorući problem suvremene tehnologije, koji će se još više rasplamsati u bliskoj budućnosti kada bezbrojni automobili na električni pogon preplave ceste i ulice. Litij-ionske baterije se proizvode i još će se više proizvoditi, uz utrošak skupih i rijetkih sirovina, a kad se istroše – što onda? Za razliku od olovnih akumulatora koji se u SAD gotovo potpuno, 100 % recikliraju, udio recikliranih litij-ionskih baterija dvadeset je puta manji i iznosi jedva 5 %. Razlog tomu nije teško dokućiti. Olovni se akumulator sastoji praktički samo od olova (60 %) i sumporne kiseline, litij ionska baterija pak od mnogih materijala: grafita, anodnog materijala, elektrolitne otopine, plastike, ljepila... U kemijskom smislu sastoji se od aluminija, litija, kobalta, nikla i bakra, a ponekad u njoj ima mangana i željeza. Od nemetala sadržava pak vodik, kisik, ugljik, fosfor i fluor.

Ništa od toga nije za baciti. Kobalt je izuzetno skupa sirovina. Još gore,  pola svjetske proizvodnje kobalta odnosi se samo na jednu zemlju, na Kongo, pa promjena političko-ekonomskih prilika može izazvati kaos na tržištu. To se vidjelo 2018. godine kada je cijena kilograma kobalta naglo skočila od 27,5  na 90 dolara. No vratimo se kemijskoj tehnologiji.

Kemijski sastav katode litij-ionske baterije
Kemijski sastav katode litij-ionske baterije

Tehnologija vatrom brutalno je jednostavna: sav otpad od litij-ionskih baterija se stavi u isti lonac i zagrije na 1500 oC, dok se sve ne rastali. Vatra je jak, ali neselektivan reagens, pa se taljenjem baterija može spasiti bakar, kobalt, nikal i mangan, ali ne i aluminij, a posebice ne vrlo vrijedan litij. Zna se zašto. Litij i aluminij lako gore, oksidiraju se, pa završavaju u troski i dimu.

Drugim su pak putem pošli Kinezi. Njihov se postupak temelji na otapanju metala iz baterija jakim kiselinama (klorovodičnom, sumpornom i dušičnom) uz dodatak vodikova peroksida. Nakon toga se pojedini metali odvajaju iz otopine te pročišćavaju elektrolizom. Sve se to odigrava na niskim temperaturama, očito nižim od vrelišta vode. Postupak troši manje energije, ne onečišćuje zrak, ali zato onečišćuje vodu. No tehnologija ide dalje.

U Vancouveru su razvili postupak kojim već sada prerađuju kilogram baterijskog otpada na sat bez upotrebe klorovodične kiseline i vodikova peroksida. Najvažniji je reagens sumporov dioksid. Drugi pak istražuju kako bi se baterijske komponente odvajale bez kemijanja. Tako su znanstvenici iz istraživačkog centra za recikliranje baterija ReCell američkog ministarstva energetike (US Depatment of Energy, DOE) razvili postupak kojim se baterije prvo izmrve (u atmosferi CO2 da se ne bi zapalile), a zatim se komponente fizički odvajaju. Prednost tog postupka je da se dobiva gotov materijal za baterije jer se otpad kemijski ne mijenja pri recikliranju. Još dalje idu istraživanja britanskih znanstvenika iz Birminghama koji razvijaju robote za rastavljanje baterija i razvrstavanje njihovih dijelova, no i drugog elektroničkog otpada. Ti bi roboti, rekao bih, morali biti jako pametni, jer će im svašta dolaziti pod e-ruku. Da, tu je problem. Iako u bateriji ima više vrijednih metala nego u rudnoj žili, teško je razviti tehnologiju prilagođenu svim vrstama baterija, pa i onima koje će tek doći. A vrijeme teče – samo da nam ne isteče.           

Zadnji je čas za razvoj tehnologije recikliranja jer će automobili trebati baterije sve više i više. (Čak i hibridni automobili ili automobili na vodik – o kojima se u posljednje vrijeme mnogo govori – moraju imati bateriju, mada manjeg kapaciteta.)  Računa se da će krajem ovog desetljeća svjetska godišnja proizvodnja litij-ionskih baterija iznositi dva milijuna tona, od čega će se četvrtina odnositi na Kinu. Do 2030. godine trebat će preraditi 11 milijuna tona otpadnih baterija ako ne želimo da iscrpimo prirodne sirovine i još onečistimo okoliš otrovnim smećem (poglavito teškim metalima) uz dizanje cijena litija, kobalta i nikla u nebo. U rješavanju tog problema sigurno će pomoći kemija, i to kemija vodenog tipa. Ona će uz druge pogodnosti omogućiti recikliranje baterija i u malim pogonima. Prilika za male poduzetnike? Vidjet ćemo.

Nenad Raos je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, sada u mirovini. Autor je i koautor više od stotinu znanstvenih i stručnih radova iz područja bioanorganske i teorijske kemije, molekularnog modeliranja te povijesti kemije i komunikacijskih vještina u znanosti. Sedam je godina bio glavni i tehnički urednik časopisa Priroda, a danas je urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Koautor je dva sveučilišna udžbenika i autor 14 znanstveno-popularnih knjiga, od kojih treba spomenuti dvije posljednje, "The Cookbook of Life - New Theories on the Origin of Life" i "Mala škola pisanja (za znanstvenike i popularizatore)". Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.