دليل سريع لإعادة استخدام بطارية EV وإعادة تدويرها

2023 مؤلف: Isabella Ferguson | [email protected]. آخر تعديل: 2023-11-26 12:44

نُشر في الأصل على مدونة اتحاد العلماء المهتمين.

بقلم هانجيرو أمبروز

من الدراجات البخارية إلى الدراجات النارية والسيارات الرياضية والحافلات المدرسية والشاحنات والقطارات وحتى الطائرات ، يبدو أننا ندخل عصر التنقل الكهربائي. ويرجع ذلك في جزء كبير منه إلى الانخفاض السريع في التكاليف وتحسين أداء بطاريات الليثيوم أيون. تعمل البطاريات الأفضل على تمكين مجموعة واسعة بشكل متزايد من تقنيات المركبات الكهربائية الشخصية والخفيفة والثقيلة. سيؤدي النمو في عمليات نشر بطاريات الليثيوم حتماً إلى تدفق كبير من البطاريات المستخدمة أو المسدودة. بحلول عام 2030 ، يتوقع المحللون أن تتجاوز حالات التقاعد نصف مليون سيارة سنويًا أو أكثر من مليوني طن متري من البطاريات سنويًا.

لا تزال السيارات الكهربائية (EVs) جزءًا صغيرًا من سوق السيارات ويتم اختبار عدد قليل من بطاريات EV المتقاعدة التي تخرج من المركبات في مجموعة من التطبيقات التجريبية أو يتم تخزينها ببساطة بينما تتحسن التكنولوجيا أو البنية التحتية لإعادة التدوير. في حين أن غالبية النفايات الإلكترونية الاستهلاكية كانت مخصصة تاريخيًا لطمر النفايات ، تحتوي بطاريات الليثيوم على معادن ثمينة ومواد أخرى يمكن استعادتها ومعالجتها وإعادة استخدامها لصنع المزيد من البطاريات.

هناك العديد من الاستراتيجيات الواعدة لإعادة تدوير بطاريات الليثيوم أيون (LIB) ، ولكن هناك أيضًا حواجز تقنية واقتصادية ولوجستية وتنظيمية يجب حلها. بصفتي زميل Hitz Climate Fellow في اتحاد العلماء المهتمين ، سألقي نظرة على بعض التحديات والفرص لإعادة استخدام البطاريات وإعادة تدويرها خلال العام المقبل. هذه نظرة عامة سريعة على الحالة الحالية لإعادة تدوير البطاريات والتي تسلط الضوء على فرص إغلاق الحلقة الخاصة بمواد البطاريات وإنشاء سلسلة قيمة مستدامة لبطاريات الليثيوم.

نهاية الحياة؟

عندما تخرج سيارة كهربائية عن الطريق ، إما بسبب حادث أو بسبب تقدم العمر ، يجب معالجة أنظمة البطارية. بعد الاستخدام الأساسي في السيارة ، تشمل المسارات المحتملة لنهاية العمر الافتراضي لبطاريات السيارات الكهربائية المستعملة إعادة الاستخدام ، أو إعادة الاستخدام لأغراض أخرى ("العمر الثاني") ، واستعادة المواد (إعادة التدوير) ، والتخلص منها. بغض النظر عما إذا كانت البطاريات يُعاد استخدامها أم لا ، فستحتاج في النهاية إلى إعادة تدويرها أو التخلص منها. يعد فهم الفرص والحواجز التي تحول دون إعادة التدوير أمرًا بالغ الأهمية لتقليل الآثار البيئية الناتجة عن التخلص غير السليم ، ولحساب الفوائد من المواد المستعادة وتجنب تعدين الموارد البكر.

تقوم حفنة من المنشآت واسعة النطاق بإعادة تدوير بطاريات الليثيوم اليوم باستخدام عمليات المعالجة المعدنية الحرارية ، أو عمليات الصهر. تستخدم هذه المصانع درجات حرارة عالية (~ 1500^اج) لحرق الشوائب واستعادة الكوبالت والنيكل والنحاس. يُفقد الليثيوم والألمنيوم بشكل عام في هذه العمليات ، ويرتبطان في النفايات المشار إليها باسم الخبث. يمكن استعادة بعض الليثيوم من الخبث باستخدام عمليات ثانوية. تعتبر مرافق الصهر اليوم باهظة الثمن وتستهلك الكثير من الطاقة ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى الحاجة إلى معالجة انبعاثات الفلورين السامة ، ولديها معدلات منخفضة نسبيًا لاستعادة المواد.

وفقًا لمعايير اتحاد البطاريات المتقدم في الولايات المتحدة ، تصل بطارية EV إلى نهاية عمرها الافتراضي عندما تكون سعة خليتها الحالية أقل من 80٪ من السعة المقدرة. ولكن لا يزال هناك الكثير من الأمور المجهولة حول موعد توقف بطاريات المركبات الكهربائية عن العمل. على سبيل المثال ، متوسط وجود السيارة على الطريق في الولايات المتحدة لأكثر من 12 عامًا ؛ السيارات الكهربائية الحديثة المزودة بحزم بطاريات ليثيوم أيون كبيرة موجودة في السوق منذ أقل من 8 سنوات ، مع حدوث أكثر من 50٪ من المبيعات في العامين الماضيين.

عمر ثانٍ للبطاريات

يعد تطبيق العمر الثاني للبطاريات المستعملة فرصة جذابة لمصنعي البطاريات والمركبات لجعل السيارات الكهربائية ميسورة التكلفة ويحتمل أن تحقق المزيد من الأرباح. تؤدي إعادة الاستخدام أيضًا إلى إطالة عمر البطاريات ، ومن المحتمل أن تحل محل بعض البطاريات الجديدة من التطبيقات الثابتة ، وكل ذلك يقلل من التأثيرات الإجمالية لإنتاج البطاريات.

في بعض الحالات ، يمكن تجديد البطاريات لاستخدامها مباشرة في مركبة أخرى ، مما قد يؤدي إلى إطالة العمر الإنتاجي للعديد من أنظمة المركبات. لذلك ، عندما تموت حزمة البطارية قبل الأوان ، يمكن في كثير من الأحيان إعادة تجميع الوحدات والخلايا العاملة لإنشاء حزم بطارية مجددة للمركبات الأخرى.

مشروع تخزين بطارية EV تبلغ 300 كيلووات في الساعة بعمر ثانٍ في جامعة كاليفورنيا ديفيس

نظرًا للحجم الكبير والأداء العالي لبطاريات السيارات الحديثة ، لا يزال من الممكن أن توفر البطاريات المتقاعدة سعة كبيرة بعد تقاعدها من الاستخدام في السيارة. عندما يتم شحن البطاريات وتفريغها ، يتدهور أداؤها. يؤدي التدهور إلى انخفاض الطاقة المخزنة التي يمكن الوصول إليها لتشغيل السيارة ؛ بمعنى آخر ، لن تقود السيارة مسافة بعيدة بشحنة واحدة. ولكن في التطبيقات الأقل تطلبًا ، قد تحصل بطاريات المركبات الكهربائية على عمر ثانٍ. في حين أن متطلبات الطاقة العالية للسيارة تجعل الطاقة المخزنة غير قابلة للوصول ، قد تكون البطاريات قادرة على خدمة 6 إلى 10 سنوات إضافية في تطبيق ثابت منخفض الطاقة يخزن الطاقة من الألواح الشمسية لاستخدامها خارج الشبكة أو ذروة الطلب- تطبيقات الحلاقة.

كان أحد العوائق الرئيسية لإعادة الاستخدام هو التحسن المستمر في الاقتصاد وأداء البطاريات الجديدة. انخفض سعر البطاريات الجديدة بمقدار أكبر من الحجم بينما تحسن الأداء ، مما أدى إلى تسعير البطاريات المستعملة بشكل فعال من بعض التطبيقات. كما أن البناء والتصميم المتكامل لحزم البطاريات الحالية وبرامج إدارة الملكية تحد أيضًا من استبدال المكونات وتزيد من تكاليف الاختبار وإعادة الاستخدام.

إغلاق حلقة

بغض النظر عما إذا كانت البطاريات يُعاد استخدامها أم لا ، فإن إعادة التدوير واستعادة المواد ستكون مطلوبة في النهاية. يقلل استرداد المواد في LIBs من الحاجة إلى مواد خام جديدة ، ويقلل من تأثير دورة حياة البطارية ويحسن أمن الطاقة عن طريق تقليل الواردات. تركز غالبية أبحاث إعادة التدوير والاهتمام به على كاثود البطارية ، والذي يحتوي على المعادن المكونة الأعلى قيمة.

هناك ثلاث مراحل عامة لإعادة تدوير البطاريات. المرحلة الأولى هي المعالجة المسبقة ، والتي تتكون أساسًا من التقطيع الميكانيكي وفرز الزغب البلاستيكي والمواد غير الحديدية. يمكن أن تتبع المعالجة الثانوية ، والتي تتضمن فصل الكاثود عن رقائق الألومنيوم بمذيب كيميائي. تتمثل الخطوة الأخيرة في إذابة مواد الكاثود إما من خلال مواد الترشيح الكيميائية (يشار إليها باسم المعالجة بالمعدن المائي) أو تفاعلات الحرارة والكهرباء (يشار إليها باسم استخلاص المعادن بالحرارة).

يمكن أن تلعب الأتمتة دورًا مهمًا في جعل المعالجة المسبقة أكثر كفاءة واقتصادية من خلال تمكين التفكيك السريع للبطارية إلى مكونات مكونة. يمكن أن يؤدي فصل مكونات البطارية إلى الحصول على مواد مستردة ذات قيمة ونقاء أعلى. يعمل الباحثون في المملكة المتحدة على تطوير إجراءات روبوتية لفرز وتفكيك واستعادة المواد القيمة من بطاريات Li-ion والتي يمكن أن تقضي على مخاطر إصابة العمال البشريين بالكهرباء والكيمياء.

عمليات استخلاص المعادن الحرارية لاستعادة مواد الكاثود لها تأثيرات بيئية ومناخية سلبية أكبر من بعض عمليات استخلاص المعادن من المعادن. ويرجع ذلك جزئيًا إلى متطلبات الطاقة والحاجة إلى إزالة الملوثات السامة من غازات العادم. بعد الاسترداد من خلال العمليات المعدنية الحرارية أو المائية (الكيميائية) ، غالبًا ما تحتاج المعادن إلى إعادة تكريرها قبل إعادة تركيبها في مركب كاثود واستخدامها في صنع أقطاب كهربائية للبطارية.

في إعادة التدوير المباشر ، يتم الاحتفاظ بمركب الكاثود سليمًا وإعادة تشغيله ، مما ينتج عنه مادة كاثود ذات خصائص مماثلة إن لم تكن متطابقة للمركب الأصلي. يعد مركب الكاثود المركب أحد المكونات الأعلى قيمة للبطارية ؛ تسعى عملية إعادة التدوير المباشر إلى فصل المركب بشكل سليم ، وإعادة تجميعه مع الليثيوم الإضافي (الاعتماد). توفر إعادة التدوير المباشر فرصة لتجنب التكرير المكثف للطاقة وإعادة تركيب مركب الكاثود ، مما يقلل بشكل أكبر من الآثار البيئية لإنتاج البطاريات.

استعادة المعادن الهامة

تتكون بطارية الليثيوم بشكل أساسي من قائمة مختصرة من المعادن المهمة التي يمكن استعادتها واستخدامها لصنع بطاريات جديدة ، وبالتالي خفض تكاليف التصنيع. تمثل تكلفة المعادن في البطارية ما يقرب من نصف تكلفة بطاريات الليثيوم اليوم. كانت تكاليف المكونات الثلاثة الأغلى في كاثود البطارية (مثل الكوبالت والنيكل والليثيوم) شديدة التقلب ، وتتأرجح بنسبة تصل إلى 300٪ في عام واحد ، على الرغم من انخفاض السعر الإجمالي للمركبة الكهربائية بنسبة تزيد عن 90٪ بطاريات في السنوات العشر الماضية. إعادة تدوير واستعادة المواد القيمة يقلل أيضًا من الكمية المحتملة للمواد التي ستذهب إلى مكب النفايات من خردة المواد.

تؤثر وصفة المعادن الانتقالية في كاثود البطارية على الخصائص مثل كثافة الطاقة ، وكثافة الطاقة ، وعمر الدورة ، والسلامة وتكلفة البطاريات. يؤثر اختيار مركب الكاثود أيضًا على اقتصاديات إعادة التدوير ، حيث قد لا تكون قيمة المواد المستعادة كافية لتغطية تكاليف عمليات إعادة التدوير باهظة الثمن. الكوبالت هو المكون الأكثر قيمة في سبيكة الكاثود ؛ يقلل تقليل محتوى الكوبالت ، كما هو الحال في تكنولوجيا البطاريات ، من تكلفة الإنتاج ، ولكنه يقلل أيضًا من الحافز لإعادة التدوير.

يمكن أن تقلل إعادة التدوير من الاعتماد على التعدين الجديد ، وتباطؤ استنفاد المواد البكر ، وتقليل التأثيرات على السكان المعرضين للخطر على طول سلسلة القيمة للبطاريات على سبيل المثال ، يأتي أكثر من 60٪ من إمدادات الكوبالت في العالم من جمهورية الكونغو الديمقراطية وهي مرتبطة بالنزاع المسلح والتعدين غير القانوني وانتهاكات حقوق الإنسان والممارسات البيئية الضارة. يمكن أن تساعد إعادة تدوير البطاريات وإعادة صياغة الكاثودات بتركيز منخفض من الكوبالت على تقليل الاعتماد على المصادر الأجنبية وزيادة أمن سلسلة التوريد.

يمكن أن تكون المواد المسترجعة من البطاريات المعاد تدويرها مصدرًا مهمًا ومفضلًا بيئيًا لتوريد المواد للبطاريات المستقبلية. أظهرت الأبحاث أن إعادة التدوير الأمثل للكاثود لديها القدرة على أن تكون مربحة ، بالنظر إلى نسبة كافية من محتوى المواد إلى قيمة المواد. ربما الأهم من ذلك ، أن إعادة التدوير يمكن أن توفر بدائل تنافسية من حيث التكلفة وربما تكون مفضلة بيئيًا لإنتاج مركبات الكاثود من المواد البكر.

سياسة البطاريات المستدامة

هناك أسباب واضحة لاتباع سياسات لتعزيز ممارسات التخلص الآمنة والعادلة. تقدم تأثيرات التدفقات العالمية لنفايات الإلكترونيات الاستهلاكية حكاية تحذيرية واحدة. من المحتمل أن يكون الجمع واللوجستيات ومشاركة البيانات والتوحيد القياسي والاستثمار في البنية التحتية حواجز أمام إنشاء نظام مستدام ودائر لإنتاج البطاريات وإعادة تدويرها

يعد إغلاق الحلقة الخاصة بمواد البطاريات عن طريق إعادة تدوير بطاريات المركبات الكهربائية خطوة حاسمة نحو بناء بطاريات أفضل. تعمل كاليفورنيا حاليًا على تطوير سياسات لضمان إعادة تدوير 100٪ من بطاريات السيارات الكهربائية المباعة في الولاية أو إعادة استخدامها في نهاية عمرها الافتراضي. يمكن أن تساعد آليات السياسة مثل معايير وضع العلامات وواجهة البيانات ، ومسؤولية المنتج الموسعة ، والتوريد المسؤول ، والإيداع أو الرسوم الأساسية في تخفيف بعض الحواجز الرئيسية المذكورة أعلاه.

قد يكون لتطوير سلسلة التوريد المحلية لبطاريات السيارات الكهربائية ، بما في ذلك الإنتاج الثانوي لمواد البطاريات ، تأثيرات اقتصادية وبيئية واجتماعية مهمة. ينمو الطلب على تصنيع البطاريات بسرعة ، ومن المرجح أن تلعب إعادة التدوير دورًا رئيسيًا في سوق بطاريات الليثيوم ومواد البطاريات التي تقارب تريليون دولار. ستلعب السياسة دورًا رئيسيًا في ضمان الاستدامة البيئية ودليل الإنصاف وإعلام الاستشهاد والتصميم والتطوير لمنشآت التصنيع وإعادة التدوير.

غالبًا ما يُشار إلى عدم اليقين بشأن مصير بطاريات السيارات الكهربائية المستعملة على أنه تحدٍ لجهود كهربة المركبات في المستقبل ، ولكن بعض المخاوف لا تدعمها الحقائق دائمًا. يمكن إعادة تدوير البطاريات اقتصاديًا باستخدام التقنيات المتاحة اليوم. يمكن للأنظمة المستقبلية أن تقلل من التلوث والانبعاثات المناخية ونضوب الموارد المحدود المرتبط بدورة حياة البطارية.

في هذه الزمالة ، أقوم بالتحقيق في الفرص والتحديات لإعادة تدوير بطاريات السيارات الكهربائية وإعادة استخدامها. آمل أن أفهم بشكل أفضل وقياس تأثيرات عمليات نشر البطاريات وحالات التقاعد عند الطلب على المعادن الهامة ، وإمكانية تخزين العمر الثاني ، والبنية التحتية المطلوبة لإعادة تدوير البطاريات. كجزء من الزمالة ، سأقوم أيضًا بنشر سلسلة من المدونات حول البطاريات والتي تتعمق في العديد من هذه المشكلات. ابقوا متابعين.

هانجيرو أمبروز هو زميل Hitz Family Climate لبرنامج النقل النظيف في اتحاد العلماء المهتمين. يبحث عمله في الآثار الاقتصادية والبيئية لاستراتيجيات إعادة تدوير البطاريات وإعادة استخدامها.