Kam gre odsluženi litij

Danes na cestah še prevladujejo avtomobili na fosilna goriva, a pritisk za prehod na električna vozila je močan. Njihova prodaja raste, toda šele zdaj prihajamo do prve pomembne prelomnice. V bližnji prihodnosti bodo baterijski sklopi v prvih modelih iztrošeni, nato pa bo teh čedalje več. V litij-ionskih baterijah je preveč predragocenih in prestrupenih snovi, da bi jih odlagali na smetišča, zato je nujno recikliranje. Tu pa dobrih rešitev še ni.

Lani je na slovenske ceste zapeljalo 1.634 novih električnih vozil, kar je trikrat več kot predlani in predstavlja že triodstotni tržni delež. Najbolje prodajan je Renault Zoe Z.E. s 352 kupci, tesno pa mu sledijo Volkswagnovi E-Golf s 32, ID.3 z 244 in e-up! s 137 kupci.

Lanski Zoe ima baterijo Z.E.40 s kapaciteto 41 kWh, ki tehta 300 kilogramov. Podobno ima baterija v e-Golfu kapaciteto 35,8 kWh, kar znese 318 kilogramov. Čez palec lahko ocenimo, da se torej od lani po slovenskih cestah vozi 500 ton novih litij-ionskih baterij. Po podatkih Statističnega urada Slovenije je bilo konec lanskega leta registriranih 3.670 osebnih avtomobilov na električnih pogon, kar ocenimo na 1.000 ton. In to samo v Sloveniji.

Hitra rast

Malo primerov v zgodovini poznamo, ko bi države in družba tako odločno spodbujale rast določene industrije. Večinoma se je trg za različne izdelke razvijal organsko, torej z rastjo povpraševanja potrošnikov. Električni avtomobili pa so izdelek, ki ga iz okoljskih razlogov intenzivno promovirajo in s subvencijami tudi spodbujajo praktično vse evropske države. Evropska unija si želi do leta 2030 na cestah 30 milijonov električnih vozil. Številne države razmišljajo, da bi v 30. letih tega stoletja prepovedale ali omejile prodajo novih vozil z motorji na notranje izgorevanje.

Industrija električnih vozil zato raste izjemno hitro. Paul Anderson z Univerze v Birminghamu in direktor tamkajšnjega Centra za strateške elemente in kritične materiale je dejal, da tako hitre raste povsem novega izdelka še nismo videli. To pa pomeni, da bomo čez 10–15 let imeli novo vrsto odpadkov – avtomobilske litij-ionske baterije. Posamezno baterijo sestavlja več sto celic, ki vsebujejo nevarne, a zelo uporabne elemente, hkrati pa lahko ob neprimernem ravnanju zagori. Kam jih torej dati?

Evropska komisija je decembra lani predstavila osnutke uredbe, ki zahteva trajnostni življenjski cikel baterij. Že od leta 2006 pa direktiva EU zahteva, da baterije ne vsebujejo določenih strupenih snovi, uvaja ukrepe za zbiranje in recikliranje baterij ter navodila za označevanje in njihovo odstranljivost iz naprav. V osnutku nove uredbe se dodatno predvideva ponovna uporaba, ponovno sestavljanje ali recikliranje baterij po koncu njihove življenjske dobe. Tudi od proizvajalcev električnih vozil zahteva vzpostavitev programov za razgradnjo in recikliranje odsluženih baterij. To je nujno, saj se po Andersonovi oceni trenutno reciklira le pet odstotkov litij-ionskih baterij. V njih pa je kopica izjemno dragocenih kovin in drugih materialov, katerih pridobivanje je okoljsko problematično, zato jih je smiselno kar najbolj reciklirati. Navsezadnje nam je to že uspelo s svinčenimi akumulatorji, ki se več kot 95-odstotno reciklirajo.

Hierarhija ravnanja z odpadki niza naslednje ukrepe od bolj učinkovitih in zaželenih do manj: preprečitev nastanka, zmanjšanje količine, ponovna uporaba, recikliranje, uporaba kot vir energije, odlaganje. Baterijam v električnih avtomobilih se ne moremo izogniti, ekonomika pa že proizvajalcem nalaga uporabo čim manjše količine materialov. Ponovna uporaba zaradi degradacije in s tem povezanega upada kapacitete po 10–15 letih ni več mogoča, zato se proizvajalci in podjetja za ravnanje z odpadki posvečajo recikliranju. V nekaterih primerih se najdejo druge uporabe za baterije, ki niso več primerne za avtomobile.

Hierarhija ravnanja z odpadki.

Kaj sestavlja baterije

Čeprav bi po imenu pričakovali obratno, večina baterije ni iz litija. Le kakšnih 10 kilogramov litija – seveda ne v elementarni obliki, temveč v obliki pozitivnih kationov – v povprečju vsebuje 300-kilogramska avtomobilska baterija. To je zelo približna vrednost, saj je odvisna od kapacitete baterije, vrste baterije (obstaja več litij-ionskih baterij) in generacije, a velikostni razred je pravilen. Kaj torej predstavlja ostalih 290 kilogramov?

Naboj v litij-ionskih baterija prenašajo litijevi ioni. En mol litijevih ionov tehta 6,94 grama in lahko prenese 96.485 As (Faradayeva konstanta), kar pri nazivni napetosti litij-ionske baterije okrog 3,8 V pomeni 366.000 Ws oziroma 101 Wh. Iz enega grama litija torej lahko iztisnemo največ 14,5 Wh ali z drugimi besedami 70 gramov litija potrebujemo za 1 kWh. V Zoe bi torej potrebovali vsaj 2,8 kilograma litija. V resnici ga je nekajkrat več, ker stoodstotne učinkovitosti pač ne moremo zagotoviti in ker se ves litij ne uporablja za prenos naboja.

Celico litij-ionsko baterije sestavljajo katoda, ki vsebuje aluminijasto folijo, katodni material in vezivo PVDF (poliviniliden fluorid). Katodni material je oksid litija in prehodnih kovin, na primer LMO (Li2Mn2O4), Li-NCM (Li(NixCoyMnz)O2) ali Li-NCA (Li(Ni0.8Co0.15Al0.05)O2). Katodni material predstavlja 25–35 odstotkov mase celice, aluminijasta folija pa še 15 odstotkov. Na grafitni anodi, ki ima lahko dodan silicij, je bakrena folija, skupno pa predstavlja 30–40 odstotkov mase celice. Preostanek celice sestavljajo elektrolit, ki je litijeva sol (običajno LiPF6) v organskem topilu (etilen karbonat, dimetilarbonat ali etilmetilkarbonat), membrana (separator) med anodo in katodo ter ohišje. Vse to so razlogi, da baterija tehta še bistveno več od mase litija.

Ko baterija oddaja električno energijo, litijevi ioni potujejo od anode do katode, ob polnjenju pa v nasprotno smer. Sočasno potujejo po zunanjem delu vezja, torej skozi porabnika, elektroni, da se ohranja elektronevtralnost. Izgube pa so razlog, da je tudi litija več od teoretičnega minimuma. Pri hitrem praznjenju je efektivna kapaciteta katodnega materiala znatno manjša. Nekaj litijevih ionov, po nekaterih raziskavah od 15 do 50 odstotkov, se nepovratno zatakne na anodi in torej ne prispeva h kapaciteti. Globoko praznjenje škoduje bateriji, zato moderni sistem ne dovolijo, da bi napolnjenost upadla pod 25 odstotkov – to je vrednost, ki jo prikazujejo kot 0 odstotkov. Toplotne izgube so še četrti razlog, da je litija v bateriji namesto treh kilogramov deset.

V litij-ionskih baterijah je največ aluminija, grafita, bakra, kobalta, niklja, mangana. Vsebujejo pa še manjše količine železa, cinka, svinca, antimona, kroma, srebra in vanadija. Vse to so dragocene snovi, ki bi jih želeli reciklirati iz odsluženih baterij.

Sestava litij-ionskih baterij. Slika: Mitch Jacoby/C&EN, podatki: Argonne National Laboratory

Življenjska doba baterij

Nič ni večno, še najmanj pa baterije. Z vsakim ciklom praznjenja in polnjenja se kapaciteta nekoliko zmanjša, kar se – sicer počasneje – dogaja tudi, če baterije ne uporabljamo. Prav zato tudi ni nekega prelomnega trenutka, ko bi baterijo razglasili za iztrošeno, saj je njena uporabnost odvisna od potreb. Pri električnih avtomobilih se baterije menjajo, ko njihova kapaciteta upade na 70–80 odstotkov nazivne. V praksi to pomeni kakšno desetletje.

Nekakšen zlati standard jamstva je osem let ali 160.000 prevoženih kilometrov, kar pomeni okrog 300–500 polnjenj. Toliko za baterije v svojih električnih vozilih jamčijo Nissan, Renault in Volkswagen. Renault obljublja, da bo v tem času kapaciteta vsaj 66 odstotkov tovarniške. Po tem času je načelno baterijo treba zamenjati, ni pa nujno.

Nekateri proizvajalci omogočajo tudi najem baterije. Za Zoe je mesečni najem baterije 74–124 evrov, odvisno od zakupljenih kilometrov. V takem primeru imamo ves čas primerno baterijo, ki jo proizvajalec zamenja, ko njena kapaciteta upade pod 75 odstotkov (v prvih 10 letih) ali pod 60 odstotkov (kasneje). Nakup baterije pa vozilo podraži za 8.300 evrov. Kaj se bolj izplača, je stvar preračuna, v obeh primerih pa na koncu življenjske dobe pridelamo baterijo, s katero bo treba nekaj narediti.

Baterija bo »živela« dlje od zajamčenih osmih let, če bomo z njo ravnali prijazno. To pomeni čim manj hitrega polnjenja in hitre vožnje, čim manj ekstremov napolnjenosti (baterije se najbolje počutijo med 30 in 80 odstotki), brez ekstremnih temperatur ipd. S takim režimom uporabe bomo iztisnili nekoliko več, a 15 let je verjetno zgornja meja. To pomeni, da bo po letu 2030 po svetu več milijonov kubičnih metrov iztrošenih litij-ionskih baterij (v enem avtomobilu jih je približno pol kubičnega metra). Četudi baterije uporabimo za kakšno drugo funkcijo, smo s tem problem le odložili – odpadek bomo imel pač nekaj let pozneje. Ko pa bo električnih avtomobilov še bistveno več, bo teh odsluženih baterij toliko, da sekundarni načini uporabe ne bodo potrebovali vseh.

Zakaj reciklirati

Za proizvodnjo enega kilograma litija porabimo 250 kilogramov spodumena (LiAl(SiO3)2) ali 750 kilogramov slanice. V čilskem mestu Salar de Atacama, kjer pridobijo največ litija, se 65 odstotkov vse vode porabi za pridobivanje litija. Za omenjeni kilogram litija potrebujejo 1.900 litrov vode.

Rabljene baterije so bistveno bolj koncentriran vir litija in ostalih potrebnih kovin. Za kilogram litija potrebujemo približno 28 kilogramov litij-ionskih baterij. Kobalt je še bolj problematična surovina, saj se pridobiva večinoma v Demokratični republiki Kongo na okoljsko, družbeno in etično sporen način, kjer so soudeleženi tudi otroci.

Če se želimo izogniti velikanskim kupom iztrošenih baterij, mora biti recikliranje končna usoda baterij. Odlaganje na smetiščih ni le pasivni okoljski problem, temveč predstavlja tveganje za pronicanje strupenih sestavnih delov, požare in eksplozije. Nevarna so lahko že sama skladišča. Gume so bistveno manj vnetljive od baterij, pa je v mestu Powys v Walesu 10 milijonov pnevmatik v globeli tlelo od leta 1989 do 2004, gasilci pa jih niso mogli pogasiti.

Dizajn litij-ionske baterijske celice omogoča napetosti okrog 3,8 V, medtem ko avtomobilski elektromotorji potrebujejo 300–400 V. Baterijski kompleti se od proizvajalca do proizvajalca razlikujejo, a v osnovi več celic spakirajo v module, ki se zlagajo v pakete. Zgradba modulov in paketov pa se zelo razlikuje, kar otežuje pametno recikliranje.

Trenutno se baterije pred sekundarno uporabo ali recikliranjem razstavljajo ročno, kar predstavlja ozko grlo in zvišuje stroške recikliranja. Avtomatizacija tega postopka bi zahtevala poenotenje ali standardizacijo baterijskih paketov, ki je ni na vidiku. Aktualni poskusi gredo v smer uporabe umetne inteligence z računalniškim vidom, kakršen je sistem Optisort. Problem niso le avtomobilske baterije, temveč tudi telefoni, prenosni računalniki in druga prenosna elektronika. Posamezni proizvajalci so že pripravili avtomatizirane linije za razstavljanje lastnih izdelkov, denimo Apple za iphone.

Kako reciklirati

Recikliranje baterij je tudi nevarno, zato ga mora opravljati usposobljeno osebje, vajeno dela z visokimi napetostmi. Kratki stik lahko vodi v hitro sprostitev preostale energije, ob čemer se baterije uničijo, sprostijo pa se strupeni plini, med drugim tudi vodikov fluorid. Ujetje plinov v zaprtih baterijah lahko povzroči eksplozijo. Elektrolit je toksičen, aditivi so lahko kancerogeni, kar velja tudi za sestavine elektrod. Avtomatizirano razstavljanje baterijskih kompletov bi postopek pocenilo in povečalo varnost, a ker kompleti niso standardizirani, večino dela še vedno opravijo ljudje.

Baterije ali akumulatorji

Starejši profesorji bodo vztrajali, da so baterije za enkratno uporabo, vse napolnljive baterije pa so v resnici akumulatorji. Tako je nekdaj tudi bilo v slovenščini, zato še danes govorimo o avtomobilskem akumulatorju, kadar mislimo na svinčenega. Litij-ionske baterije pa so, bržkone tudi pod vplivom angleške besede, ostale baterije, dasi jih lahko polnimo večkrat. Danes zato raje govorimo o primarnih baterijah, ki so za enkratno uporabo, in sekundarnih baterijah, ki se jih da napolniti.

Ko je baterija odpisana, recikliranje sestoji iz treh korakov: stabilizacije, odprtja in ločbe. Stabilizacija predstavlja izpraznitev zaloge energije, kar lahko naredimo prek ohmskega upornika ali v slanici. Industrijsko se stabilizacija v Evropi pogosto izvaja skupaj z odprtjem, kar izvedejo v inertni atmosferi (iz CO2 in argona), ko baterije zmeljejo. Tedaj se litij pasivira, s tem ko se na njegovi površini ustvari zaščitna plast litijevega karbonata. V ameriškem procesu (Retriev) pa se uporablja voda, ki hidrolizira litij in hkrati absorbira sproščeno toploto. Alternativna metoda je izpraznjenje v slanicah – denimo raztopini natrijevega fosfata –, ki korodirajo kontakte in izpraznijo baterije, a je primerna le za nizkonapetostne module. Pri visokih napetostih je elektroliza vode preveč burna in nepredvidljiva.

Sámo recikliranje lahko poteka po več metodah. Pri pirometalurški metodi se uporabljajo vroče peči, v katerih se kovinski oksidi iz baterij reducirajo v zlitino kovinskih kobalta, bakra, železa in niklja. Gre za soroden postopek kot v plavžu, kjer nastanejo kovinska zlitina, žlindra in plini. Plinski produkti (vrelišče pod 150 °C) so iz hlapnih organskih spojin, ki izvirajo iz elektrolita, veziva in separatorja. V žlindri so aluminij, mangan in litij.

Zlitino kovin ločijo na posamezne kovine s hidrometalurškimi procesi, medtem ko se elektrolit, plastika in litijeve soli ne reciklirajo. To pomeni, da se v najboljšem primeru obnovi približno polovica mase baterije. Hidrometalurška metoda uporablja različne jedke raztopine – najpogosteje mešanico žveplene kisline in vodikovega peroksida – za izluževanje kovin iz katodnega materiala. Glavne pomanjkljivosti te metode so nastanek strupenih plinov, energijska potratnost in izgube nekaterih sestavin. Vseeno je to najpogosteje uporabljena metoda, ker so trenutno nikelj, kobalt in železo dragocenejši od litija.

Pri fizični ločitvi sestavin izkoriščajo različne lastnosti posameznih sestavnih delov: veliko delcev, gostoto, magnetizem, hidrofobnost itd. Uporabljajo se torej sita, filtri, magneti, stresalniki, gosta topila ipd., s čimer se ločijo sestavine v mešanici litijevih raztopin, plastike, papirja, magnetnih ohišij, elektrod in drugih sestavnih delov zmletih baterij. Po ločbi, ki odstrani magnetne materiale, plastiko in drugo, ostane črna snov, ki vsebuje kovinske okside in grafit. Zadnjega odstranijo s flotacijo.

Razstavljanje baterijskih sklopov poteka ročno. Slika: Renault Nissan Slovenija

Najučinkovitejše pa je direktno recikliranje, ki se trenutno uporablja zlasti za baterije iz prenosnih računalnikov in telefonov. V tem postopku baterijo razstavijo, nato pa z minimalnimi posegi reciklirajo komponente ločeno. Kovinski oksidi se uporabijo za katode novih baterij po poprejšnjem namakanju v organskih topilih in sonifikaciji. Pri direktnem recikliranju je uspešnost odvisna tudi od stanja baterije. Ta postopek so doslej preverjali le v laboratorijskem merilu, na komercializacijo pa še čaka.

V praksi

V Sloveniji so električni avtomobili na trgu premalo časa, da bi se proizvajalci oziroma prodajalci že soočili s problemom zamenjave baterij. V Hyundai Avto Trade so dejali, da se baterije menjajo, ko upadejo pod 70 odstotkov nazivne kapacitete, kar ocenjujejo, da se ne zgodi prej kot po 200.000 kilometrih. Ker električna vozila pri nas prodajajo pet let, takšnih primerov še ni bilo, menjali so le baterije v okviru garancije zaradi napak. Poudarjajo pa, da tako v teh primerih kot (v prihodnosti) zaradi iztrošenosti stare baterijske komplete prevzame pooblaščeni serviser. Recikliranje odsluženih baterijskih kompletov se izvaja na ravni proizvajalca vozil.

Sestavljanje baterijskih kompletov. Slika: Renault Nissan Slovenija

V Renault Nissan Slovenija so povedali, da so se baterije izkazale kot bolj dolgožive, saj jim kapaciteta upada počasneje od prvotnih pričakovanj. Oba proizvajalca poudarjata, da so baterije, ki so za vozila preveč iztrošene, še vedno uporabne za kaj drugega: za ulične svetilke, podatkovne centre ipd. Nissan uporablja stare baterije iz Leafa v svojih tovarnah za poganjanje tamkajšnjih robotov. Renault trenutno baterij še ne reciklira v klasičnem pomenu besede, temveč jih uporablja kot hranilnike energije, recikliranje pa bo na vrsti šele kasneje. Renault mejo za odsluženo baterijo postavlja na 66 odstotkov kapacitete, za kar jamčijo osem let oziroma 160.000 kilometrov pri Zoeju ter pet let oziroma 100.000 kilometrov pri Kangooju ZE.

Renault je tovarno v francoskem Flinsu (blizu Pariza) prenovil v ReFactory, kjer bodo tudi obnavljali (refurbish) rabljena električna vozila. Volkswagen je svojo prvo tovarno za recikliranje baterij odprl v nemškem Salzgitterju. Sprva naj bi letno reciklirali 3.600 baterijskih kompletov, in sicer bodo najprej reciklirali katode, ki imajo največ dragocenih kovin. V Renaultu bodo baterije reciklirali v sodelovanju s podjetjema Veolia in Solvay, in sicer v Franciji že postavljajo pilotski obrat na predindustrijski ravni.

Iz Tesle nam sicer niso odgovorili, a je iz tujih medijev znano, da so postavili lastne obrate za recikliranje baterij. Tovarna Gigafactory v Nevadi od leta 2019 reciklira izrabljene baterije, lani so postavili obrat za recikliranje še na Kitajskem. Še pred tem pa poskusijo baterije uporabiti drugače, denimo kot shranjevalnike energije za gospodinjstva.

Eden izmed soustanoviteljev Tesle Jeffrey Brian Straubel je že leta 2017 ustanovil podjetje Redwood Materials, ki ga označuje kot rudarsko podjetje nove generacije. V resnici gre za startup, ki se ukvarja z recikliranje litij-ionskih baterij. Letno pridobijo več tisoč ton litija, kobalta in ostalih material, iz katerih lahko izdelajo 45.000 baterijskih kompletov za vozila po nižji ceni kot iz konvencionalno pridobljenih surovin. Lani so reciklirali 10.000 ton baterij. O pomembnosti recikliranja priča dejstvo, da so v tem času dobili 48 milijonov dolarjev zagonskega kapitala.

Startup Redwoord reciklira vse vrste litij-ionskih baterij. Slika: Redwood Materials

Problem obsega

Čeprav litij-ionske baterije uporabljamo že dve desetletij, bodo šele električna vozila poskrbela za nov velikostni razred teh odpadkov. Obseg problema, ki nas čaka, je povsem predvidljiv. Kakor lahko danes zelo natančno ugotovimo, koliko šolarjev bomo imeli čez osem let, je tudi število odsluženih baterij čez 10 let odvisno od danes prodanih avtomobilov.

Danes imajo proizvajalci baterij in avtomobilov še polna usta sekundarne rabe baterij (reusing), obnavljanja (refurbishing) in natančnega recikliranja (direct recycling). Toda ko bo teh baterij stokrat več, vseh pač ne bo mogoče uporabiti v tovarnah za pogon tamkajšnjih viličarjev in podobno. In sčasoma bodo vse te baterije potrebne recikliranja.

K sreči smo se o tem problemu začeli pogovarjati dovolj zgodaj, k čemur je prispevalo več dejavnikov: ugoden čas (danes je okoljska ozaveščenost pomembnejša kot pred desetletji), ekonomika pridobivanja, negotovost proizvodnih verig in sorazmerna enostavnost recikliranja.

Pravni red

Direktiva 2000/53/ES o izrabljenih vozilih je še iz časa, ko so bila električna vozila znanstvena fantastika, a že določa ukrepe za preprečevanje in omejevanje nastajanja odpadkov iz rabljenih vozil. Direktiva 2006/66/ES o baterijah in akumulatorjih ter odpadnih baterijah in akumulatorjih že zahteva, da članice vzpostavijo obdelavo in recikliranje odpadnih baterij in akumulatorjev – v tej direktivi litij še ni omenjen. Direktiva 2012/19/EU o odpadni električni in elektronski opremi obravnava te odpadke celovito in se ne osredotoča na baterije. Z direktivo 2018/849/EU se vse tri posodabljajo, saj je Evropska komisija dobila možnost sprejemanja izvedbenih in delegiranih aktov.

Slovenske uredbe prenašajo omenjene direktive v naš pravni red. V Uredbi o ravnanju z baterijami in akumulatorji ter odpadnimi baterijami in akumulatorji je določeno, da mora proizvajalec baterij in akumulatorjev zagotoviti zbiranje in recikliranje odpadnih prenosnih ali avtomobilskih baterij in akumulatorjev.