Инновации 9 Февраля 2021

Как не взорвать батарею

Ученые НИТУ «МИСиС» разработали технологию переработки литиевых батарей. 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
Как не взорвать батарею
Специалисты НИТУ «МИСиС» разработали универсальный метод вскрытия отработанных батарей при помощи криогенно-вакуумной установки, которая является их ноу-хау и защищена патентом
НИТУ «МИСиС»

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».

magnifier.png «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»

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

magnifier.png «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»

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
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
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.

magnifier.png «Мы готовы к внедрению, у нас уже есть индустриальные партнеры. И в ближайшее время мы должны перейти к практическим решениям, с реализацией в Центральной России»

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

Темы: Инновации

Еще по теме:
17.06.2021
В сегодняшнем изощренном ландшафте киберугроз программы-вымогатели можно найти повсюду: они поражают как компьютеры отде...
16.06.2021
Российские ученые из Томского политехнического и Тюменского индустриального университета разработали систему отопления ц...
09.06.2021
Мировая схватка за удешевление производства экологически чистого водорода продолжается. На этой неделе свой «водородный ...
01.06.2021
Конец мая оказался плодотворным для специалистов по управляемому термоядерному синтезу. Важными технологическими достиже...
Наверх