Baterie i akumulatory można dziś znaleźć w każdym domu. Ich skuteczny recykling jest obecnie jednym z największych wyzwań stojących przed naukowcami. Nad nowymi rozwiązaniami w tym zakresie pracują także badacze z Wydziału Inżynierii Środowiska PWr.

Upowszechnienie smartfonów, tabletów, laptopów, a ostatnio również pojazdów elektrycznych sprawiło, że każdego roku na rynek trafiają tysiące ton baterii i akumulatorów.

Naukowcy z Katedry Inżynierii Ochrony Środowiska PWr badaniami związanymi z procesami przeróbki i recyklingu przemysłowych odpadów polimetalicznych zajmują się od 2005 r. Ich zadaniem jest opracowanie nowych wariantów odzysku metali zawartych we wstępnie przetworzonych mechanicznie odpadach, sposobami opartymi na procesach metalurgii chemicznej.

Badania prowadzone przez dr inż. Agnieszkę Sobianowską-Turek oraz dr inż. Weronikę Urbańską można zaliczyć do rozwijanych na świecie technologii odzysku elementarnego, skoncentrowanych na przetwarzanie różnego typu odpadów w surowce podstawowe lub ewentualnie w nowe produkty.

Baterie jednorazowe czy akumulatory?

Baterią określa się jedno lub więcej ogniw galwanicznych, które w wyniku reakcji elektrochemicznej, zmienia energię chemiczną w energię elektryczną. Obecnie najpopularniejsze są baterie jednorazowe, które po rozładowaniu nie nadają się do użytku oraz tzw. akumulatory, które można doładowywać wielokrotnie.

– Pozornie wydaje się, że baterie jednorazowe są zbudowane z tych samych materiałów – faktycznie mogą być wykorzystywane te same materiały anodowe lub katodowe lub elektrolity, ale dany rodzaj baterii czy akumulatora zawsze różni się składem surowcowym od innych, tzn. nie mamy tej samej konfiguracji tych trzech składowych w różnych typach baterii – mówi dr inż. Weronika Urbańska. – Wynika to z pewnego uproszczenia, tzn. klasyfikujemy je w grupie ogniw jednorazowych, nieładowalnych, ale nie oznacza to, że mamy do czynienia z jednym składem surowcowym, mogą to być baterie cynkowo-węglowe, cynkowo-manganowe, cynkowo-powietrzne, litowe. Oprócz tego, że baterie (ładowalne i jednorazowe) różnią się między sobą składem chemicznym i budową, cechują je także odmienne właściwości fizyczne jak np. nominalne napięcie elektryczne czy pojemność właściwa.

Każdy z nas zastanawia się przed zakupem, który typ baterii będzie korzystniejszy. Odpowiedź na to pytanie nie jest niestety prosta.Za bateriami jednorazowymi na pewno będzie przemawiać cena (są stosunkowo tanie) i łatwa dostępność. Ponadto są one mało podatne na tzw. samorozładowanie – jeśli nie będą użytkowane, to się nie rozładują zbyt szybko (szacuje się, że w takim przypadku w skali roku mogą tracić około kilku procent energii). Z kolei akumulatory są droższe, ale można dłużej je użytkować dzięki wielokrotnemu ładowaniu, przy czym też szybciej się rozładowują niż ogniwa pierwotne.

– W związku z tym zaleca się, aby ogniwa jednorazowe stosować w tych urządzeniach, których używamy stosunkowo rzadko lub sporadycznie, np. piloty, kalkulatory, zegarki. Do często używanych urządzeń stosuje się akumulatory, zwłaszcza chodzi o urządzenia elektroniczne, np. telefony komórkowe, komputery czy aparaty fotograficzne. Akumulatory kwasowo-ołowiowe znalazły zastosowanie w samochodach, z kolei do zasilania nowoczesnych pojazdów elektrycznych i hybrydowych stosuje się akumulatory litowo-jonowe – wyjaśnia badaczka.

Recykling? Nie mamy się czego wstydzić!

W Polsce od 2011 r. Główny Inspektor Ochrony Środowiska sporządza roczne raporty o gospodarce bateriami i akumulatorami oraz zużytymi bateriami i zużytymi akumulatorami, gdzie można znaleźć m.in. informacje o masach baterii i akumulatorów wprowadzonych na rynek w danym roku. Dzięki temu wiemy, że w 2018 roku wprowadzono do obrotu łącznie prawie 131 tys. ton ogniw, w tym ponad 13 tys. ton baterii przenośnych, które użytkujemy na co dzień.

Na tle Europy nasz kraj wypada wyjątkowo dobrze, jeśli chodzi o zbiórkę zużytych ogniw. Według danych Eurostatu w 2018 r. w UE zebrano 88 tys. ton baterii, w Polsce – 10 706 ton, co klasuje nas na wysokim, trzecim miejscu, zaraz po Niemczech i Francji, jeśli chodzi o masę zebranych zużytych baterii i akumulatorów. W 2018 r. osiągnęliśmy także wymagany poziom zbierania zużytych baterii i akumulatorów (wymagany: 45%, uzyskany: 80%) – w ujęciu procentowym zajmujemy drugie miejsce w UE, zaraz po Chorwacji (średnia dla UE: 48%).

Nie mamy się także czego wstydzić w kwestii recyklingu zużytych ogniw. – Jeśli chodzi o poziom recyklingu zużytych ogniw w Polsce, to oblicza się go jako stosunek masy odpadów baterii, które poddano przetwarzaniu oraz masy przyjętych do przetworzenia zużytych ogniw. W 2018 r. wyniósł on 93,22%, ale prawdopodobnie nie przetworzono całości ze względu na możliwość rocznego magazynowania zużytych baterii i zapewne zostaną uwzględnione w statystykach za rok 2019 – wyjaśnia dr inż. Weronika Urbańska.

Dlaczego baterie są niebezpieczne?

Obecnie na rynku dostępnych jest wiele różnego rodzaju baterii – alkaliczne, litowe czy cynkowo-węglowe – i akumulatorów – litowo-jonowe, ołowiowo-kwasowe czy niklowo-wodorkowe. Powszechnie wiadomo, że zawierają one wiele groźnych substancji, ale które są najbardziej szkodliwe?

– Do tej pory za te najbardziej szkodliwe uważano ogniwa zawierające rtęć oraz kadm, jednakże ich ilość na rynku znacznie się zmniejszyła ze względu na regulacje prawne ograniczające obecność tych metali zarówno w bateriach, jak i akumulatorach – tłumaczy dr inż. Weronika Urbańska. – Ogólnie dość trudno jest wskazać te ogniwa, które są najbardziej szkodliwe, ponieważ wszystkie zawierają w swoim składzie wiele związków chemicznych, które mogą być niebezpieczne dla środowiska i człowieka – dodaje.

Najprostszym przykładem mogą być szeroko stosowane akumulatory samochodowe, czyli kwasowo-ołowiowe, zawierające ołów. Metal ten w organizmach żywych ma działanie chorobotwórcze, powoduje m.in. uszkodzenie mózgu czy choroby nefrologiczne oraz układu pokarmowego, ale także powoduje skażenia środowiska glebowego i wodnego. Z kolei popularne akumulatory litowo-jonowe, zasilające np. telefony komórkowe i laptopy, składają się m.in. z litu, który może powodować obrzęki płuc, uszkadzać układ nerwowy i skórę, oraz niklu mającego działanie kancerogenne i powodującego uszkodzenia układu nerwowego.

– Tak samo wygląda to w przypadku baterii. Zazwyczaj jako najbardziej szkodliwe baterie wskazuje się ogniwa cynkowo-węglowe, stanowiące podstawowe przenośne chemiczne źródło energii ze względu na często występujące „wycieki” zasadowego elektrolitu. Jednakże należy pamiętać, że inne rodzaje stosowanych obecnie chemicznych źródeł energii mogą również być szkodliwe i muszą być prawidłowo użytkowane oraz przetwarzane – zaznacza badaczka.

Segregacja i recykling to podstawa

Nie wolno więc wyrzucać zużytych ogniw do pojemników z odpadami zmieszanymi, a tym bardziej poza miejscami gromadzenia odpadów, ponieważ warunki środowiskowe (opady, zbyt wysoka lub zbyt niska temperatura otoczenia) mogą doprowadzić do rozczynienia obudowy ogniwa na przykład na skutek korozji i w konsekwencji może to prowadzić do wymycia substancji niebezpiecznych (metali oraz elektrolitu), które w efekcie trafią do gleby oraz wód gruntowych, powodując ich skażenie.

– Dla przykładu, jedna mała bateria guzikowa (stosowana np. w zegarkach ręcznych) może zanieczyścić 1 m³ gleby i 400 litrów wody. Oprócz szkodliwości dla środowiska występuje także jeszcze jeden bardzo ważny aspekt – ekonomiczny. Materiały i substancje, z których zbudowane są baterie i akumulatory, to cenne surowce, które po odzyskaniu mogą być wykorzystywane ponownie –  podkreśla dr inż. Weronika Urbańska.

Przetwarzanie zużytych ogniw w głównej mierze opiera się na trzech metodach: mechanicznych, hydrometalurgicznych lub pirometalurgicznych.

Metody mechaniczne polegają na szeregu czynności separacyjnych i fragmentacyjnych celem wydzielenia poszczególnych frakcji budujących ogniwa, tj. frakcję ferromagnetyczną (m.in. obudowy stalowe), frakcję diamagnetyczną (np. papier) oraz frakcję paramagnetyczną, w skład której wchodzi masa katodowa bogata w różnorodne, cenne metale, możliwe do odzyskania w procesach hydrometalurgicznych i/lub pirometalurgicznych.

Z kolei metody hydrometalurgiczne polegają na ługowaniu masy bateryjnej – odzyskiwane metale są przeprowadzane (w obecności odpowiedniego czynnika ługującego – kwasu lub zasady) z fazy stałej do roztworu wodnego. Natomiast metody pirometalurgiczne polegają na przeprowadzeniu metali w odpowiednio wysokich temperaturach do określonych faz skondensowanych (w tym stopów metalicznych) lub do fazy gazowej z późniejszą kondensacją.

– W Polsce w pełni przerabiane są głównie baterie cynkowo-węglowe i alkaliczne oraz akumulatory kwasowo-ołowiowe, najczęściej właśnie w procesach pirometalurgicznych. Recykling innych typów baterii w naszym kraju polega głównie na ich mechanicznej obróbce, co nie stanowi kompleksowego ich zagospodarowania – wydzielone frakcje, w tym proszek bateryjny są sprzedawane zewnętrznym odbiorcom – mówi dr inż. Weronika Urbańska. – Taka sytuacja ma miejsce zwłaszcza w przerobie odpadów baterii Li-ion, których ilości będą stale wzrastać ze względu na rosnącą popularność, w tym stosowanie do zasilania pojazdów elektrycznych/hybrydowych.

Jak skuteczny jest recykling ogniw?

Czy jesteśmy jednak w stanie odzyskać większość składników ze zużytych ogniw? Okazuje się, że na podstawie badań dotyczących hydrometalurgicznego odzysku metali przeprowadzonych przez naszych naukowców można stwierdzić, że efektywność procesu kwaśnego ługowania jest wysoka. Obecnie w procesie obróbki mechanicznej jesteśmy w stanie odzyskać właściwie każdy z elementów ogniw. Następnie  z masy bateryjnej,  przy zastosowaniu kombinacji różnych metod i jednostkowych procesów metalurgii chemicznej, można wydzielić metale w różnych formach wchodzące w jej skład.

– Odzyskane metale w odpowiednich postaciach mogą posłużyć do produkcji nowych baterii danego rodzaju. Wydzielone materiały mogą być wykorzystywane w innych celach niż pierwotnie, np. w przypadku recyklingu zużytych baterii cynkowo-węglowych i alkalicznych produkty to np. materiały ferrytowe, katalizatory czy dodatki do nawozów mineralnych – wyjaśnia dr inż. Weronika Urbańska. – Niektóre frakcje (tzw. frakcje lekkie) służą także jako składnik paliwa alternatywnego kierowanego do cementowni. Frakcje metaliczne (ferromagnetyczne) kierowane mogą być do przetworzenia w hutach jako dodatek do wsadu zasadniczego – dodaje.

Nowe wyzwania

Jednym z problemów, które pojawiły się w ostatnim czasie, jest kwestia zagospodarowania zużytych baterii do pojazdów elektrycznych. W związku z dynamicznych rozwojem tej gałęzi przemysłu w ciągu najbliższych 5-8 lat wzrośnie również ilość odpadów ogniw litowo-jonowych.

– Takie ogniwo samo w sobie nie stanowi większego zagrożenia, jeżeli jest prawidłowo użytkowane, ale w przypadku nieodpowiedniego użycia czy magazynowania może już stanowić zagrożenie, m.in. pożarowe. Poza tym po „zużyciu” muszą one być odpowiednio zagospodarowane i przetworzone, tak jak ma to miejsce  w przypadku ogniw litowo-jonowych stosowanych w laptopach, telefonach czy tabletach – zaznacza badaczka. – Ciekawy jest fakt, że akumulatory stosowane w pojazdach elektrycznych są zbudowane z pakietów pojedynczych ogniw połączonych szeregowo i/lub równolegle, tzw. modułów akumulatorowych. Tak samo wygląda to w ogniwach stosowanych w laptopach czy latarkach, z tym że pojedynczych ogniw jest znacznie mniej. W związku z tym przetwarzanie akumulatorów z samochodów elektrycznych i z laptopów nie będzie się różniło – w obu przypadkach przetwarzamy po prostu pojedyncze ogniwa o podobnej budowie – wyjaśnia.

W tym wypadku najlepszym rozwiązaniem w zakresie recyklingu byłoby ich przetwarzanie przez producentów, tzn. producent zbierałby odpady swoich baterii i przetwarzał na własne potrzeby, dzięki czemu odzyskane surowce mogłyby posłużyć do produkcji nowych ogniw.

– Dzięki takiemu zabiegowi można by uniknąć nadmiernego pozyskiwania i wykorzystywania naturalnych zasobów, np. litu, którego światowe zasoby naturalne są na bardzo nikim poziomie. Ponadto stale opracowywane są także metody odnawiania akumulatorów litowo-jonowych z pojazdów, tak aby po tzw. remanufacturingu przywrócić pierwotne właściwości akumulatorów i ponownie je wykorzystać – podkreśla dr inż. Weronika Urbańska.

mic