Почти все современные электронные устройства, от смартфонов до электромобилей, работают за счет литий-ионных аккумуляторов, разработанных в 1990-х годах. В основе работы этих накопителей энергии лежат электрохимические реакции окисления металлического лития, входящего в состав анода (положительный электрод). Во время разрядки литий окисляется и в виде катиона (положительно заряженный ион) движется к катоду (отрицательный электрод). Во время зарядки все происходит наоборот: под электрическим напряжением катионы лития выходят из катода и движутся к аноду, где идет восстановление.

Классический литий-ионный аккумулятор был выпущен в 1991 году. Его создатели – японский химик Акира Йошино, американский физик Джон Гуденаф, британский химик Стэнли Уиттингэм получили за свою работу Нобелевскую премию по химии в 2019 году.

«Литий-ионные аккумуляторы совершили революцию в нашей жизни и используются везде, от мобильных телефонов до ноутбуков и электромобилей. Своей работой лауреаты этого года заложили основу беспроводного общества, в котором нет места ископаемому топливу», – так описывает заслуги ученых Нобелевский комитет.

По словам кандидата технических наук, заведующего кафедрой Санкт-Петербургского государственного технологического института Дмитрия Агафонова, скептики развития частного электротранспорта совершенно напрасно ругают его за так называемую проблему, связанную с утилизацией батарей электромобилей. Он объяснил, что по своему составу литий-ионные аккумуляторы, используемые в электромобилях, не отличаются от батарей, применяемых в различных гаджетах и инструментах.

«Сегодня литий-ионные аккумуляторы – это направление в технологиях. Например, существуют десятки катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов. Сложнее с анодными материалами, поскольку существует много различных форм углерода, которые могут работать как анодный материал. Много надежд связано с кремнием и различными композитами, в состав которых входит кремний. Есть титанат лития, который гарантирует немыслимый циклический ресурс. Речь идет о десятках тысяч циклов перезарядки», – рассказал он.

По словам ученого, именно после появления титаната лития и родилась идея использовать такие аккумуляторы в электромобилях, поскольку жизненный цикл батареи был бы равен жизненному циклу самого транспортного средства.

«Речь идет об использовании одного аккумулятора на протяжении 25 лет, или о 40-50 тысячах циклов заряда-разряда. Сейчас хороший литий-ионный аккумулятор рассчитан на 1,5-2 тысячи циклов заряда-разряда. Аккумулятор считается работоспособным, если он выдает до 80 процентов от своей первоначальной емкости», – пояснил Агафонов.

Одно из наиболее перспективных направлений применения литий-ионных аккумуляторов – системы накопления энергии от возобновляемых источников.

Одно из крупнейших в мире месторождений лития Солончак Уюни, Боливия

Ценные металлы

Если говорить конкретно об электромобилях, стоит понимать, что там используется аккумуляторная батарея очень крупных размеров. После окончания срока службы ее можно снять и разобрать, чтобы выделить заново все ценные компоненты и получить соли лития и кобальт.

Литий может извлекаться из батареи после окончания срока службы, кобальт – также можно извлечь, это очень дорогой металл, в котором существует огромная потребность. Прежде всего, он применяется в металлургической промышленности.

Кобальт не встречается в виде отдельного материала, его нельзя выделить из какой-то руды. Он – спутник никелевых руд. Производство кобальта составляет около двух процентов от общего производства никеля.

Корпуса батарей бывают разные, в автомобильном транспорте они производятся из алюминия, который тоже утилизируется.

В России аккумуляторы выбрасывают

В ряде сфер человеческой деятельности накопилось огромное количество литий-ионных аккумуляторов, отработавших свой гарантийный срок, – например в военной сфере, также это всевозможные гаджеты, строительный и ремонтный инструмент (отвертки, шуруповерты), которые постепенно начинают сильно дешеветь из-за того, что в них стали использовать именно литий-ионные аккумуляторы.

«В России литий-ионные аккумуляторы перерабатываются на двух предприятиях. С 2014 года на челябинском ГК «Мегаполисресурс», а с 2019 – на ООО «НЭК» в Ярославле, – рассказывает эксперт «Беллоны» по обращению с отходами Никита Зубков. – Оба завода перерабатывают аккумуляторы с получением полезных фракций. При этом технология ГК «Мегаполисресурс», основанная на гидрометаллургии, позволяет сделать этот процесс рентабельным, они покупают литий-ионные аккумуляторы. Именно на этот завод Комитет по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности Санкт-Петербурга передавал собранные у населения аккумуляторы и батарейки.

Поскольку такой тип аккумуляторов относится к отходам 2 класса опасности, их оборот с  1 марта 2022 года будет регулировать Федеральный экологический оператор (Госкорпорация «Росатом»). Самостоятельно перерабатывать отходы 1 и 2 классов опасности ФЭО планирует на семи заводах, которые, согласно нацпроекту «Экология», должны заработать до конца 2024 года. Проблема сейчас в большей степени заключается в отсутствии налаженного сбора аккумуляторов у населения в большинстве регионов России и зачастую очень высоких затратах на транспортирование до предприятий по их переработке».

С экспертом согласен и Дмитрий Агафонов. «Сейчас в России они [аккумуляторы] просто выбрасываются, их никто и нигде не собирает, в отличие от марганцево-цинковых элементов», – рассказал ученый, отметив, что в последнее время в нашей стране идет много разговоров о том, чтобы строить заводы по утилизации литий-ионных аккумуляторов.

Дмитрий Агафонов уверен, что противники развития электрического транспорта сделали электромобили виновными в проблеме утилизации литий-ионных аккумуляторов от непонимания ситуации. «Эта истерия – от непонимания. В аккумуляторах вообще мало кто разбирается, это очень специфическая область знания. Но должен сказать, что сейчас в нашей стране есть колоссальный интерес к строительству заводов по переработке литий-ионных аккумуляторов», – поделился Агафонов.

Сейчас с ученым пытаются наладить контакт представители многих российских регионов, а также Узбекистана. Всех интересуют вопросы, связанные со строительством производств по переработке литий-ионных батарей, поскольку в нашей стране таких заводов в настоящий момент нет.

А в других странах?

По словам известного шведского журналиста, автора книги «Электромобили и гонка за металлами» («Elbilen och jakten på metallerna») Арне Мюллера, утилизация литий-ионных аккумуляторов представляет огромную проблему.

Мюллер уверен, что, несмотря на то что в Европе утилизируется лишь 40 процентов аккумуляторов гаджетов, именно электромобили спровоцируют нехватку мощностей переработки.

«В настоящее время в Европе работают менее 10 заводов, которые занимаются утилизацией литий-ионных аккумуляторов. Проблему их утилизации необходимо решить за следующее десятилетие, в течение которого резко возрастут объемы использованных аккумуляторов электромобилей, поскольку Европа стремится стать декарбонизированным обществом с безуглеродной экономикой», – подчеркнул Мюллер.

Он рассказал, что в настоящее время правила по утилизации литий-ионных аккумуляторов, действующие в Евросоюзе, очень слабые (речь идет о «батарейной директиве» 2006/66/EC Европарламента, документ № 32006L0066. – Прим. ред.). Они требуют переработать только 50 процентов веса батареи.

«Сейчас идет обсуждение новых правил с увеличением процентных показателей утилизации различных элементов», – отметил он.

Если одной частью проблемы утилизации аккумуляторов является эффективность их переработки, то вторая часть – отсутствие гарантий того, что аккумуляторы действительно будут сдаваться в переработку после окончания их срока службы. Многие эксперты предполагают, что большая часть батарей, используемых в электромобилях, получит вторую жизнь, например в накопителях энергии, в том числе в частных домах. Но будут ли батареи сданы на утилизацию?

Одним из возможных решений этого вопроса может стать введение системы депозита для аккумуляторов, которая уже существует, к примеру, в Калифорнии.

В настоящее время страны Азии и США сильно опережают Европу в количестве перерабатывающих производств и их мощностей. Однако в прошлом году пять европейских компаний: Bebat (Бельгия), GRS Batterien Service GmbH (Германия), Cobat (Италия), BatteriRetur (Норвегия) и Stibat (Нидерланды) образовали трансъевропейский альянс Reneos, который будет координировать работу по сбору и переработке аккумуляторов.

Этот процесс осуществляется в русле политики Еврокомиссии по созданию устойчивой экосистемы электромобилизации, которая, в том числе, включает в себя декарбонизацию производства аккумуляторных батарей, а также последующие этапы их жизни вплоть до переработки.

Главная задача альянса – создать систему, все элементы которой будут отвечать самым строгим экологическим нормам, в которой не будет «провала» в жизненном цикле аккумуляторных элементов. Всё должно использоваться до предела своих технических возможностей, ничто не должно быть выброшено на свалку, загрязняя окружающую среду, и всё должно быть переработано в максимальной степени.

«Объединив ведущих экспертов по переработке аккумуляторов, мы сделаем Европу полноценным центром переработки аккумуляторов, что еще больше повысит нашу конкурентоспособность по сравнению с Азией или США», – заявил, в частности, генеральный директор Reneos Филипп Селис.

По различным прогнозам, в 2021 году общемировая переработка составит около 300 000 метрических тонн аккумуляторного лома. В 2018-м все страны, в целом, разобрали на ценные металлы 100 000 тонн перезаряжаемых элементов на основе лития.

Остается добавить, что, конечно, опыт в переработке литий-ионных аккумуляторов еще только накапливается, но и сказать, что в этом направлении ничего не делается, будет по меньшей мере некорректно.