Artykuły

Wstęp

            Zielona transformacja energetyczna, opierająca się na rozwoju odnawialnych źródeł energii i elektromobilności stawia przed społeczeństwem nowe wyzwania, zwłaszcza w kontekście zarządzania zasobami i recyklingu materiałów. Baterie i akumulatory będące kluczowym elementem pojazdów elektrycznych oraz magazynowania energii, stanowią jedno z najważniejszych wyzwań tej transformacji. W kontekście rosnącej liczby zużytych baterii oraz konieczności uniezależnienia się od surowców kopalnych- recykling i regeneracja baterii stają się priorytetem dla przemysłu technologicznego oraz naukowców szukających nowych rozwiązań w zakresie zwiększenia efektywności tych procesów.

Co w sobie ma bateria?

            Baterie litowo-jonowe odgrywają kluczową rolę w dzisiejszym świecie technologii, będąc podstawą działania wielu nowoczesnych urządzeń, takich jak smartfony, laptopy czy samochody elektryczne. Składają się z kilku podstawowych elementów. Na początku warto zwrócić uwagę na anodę, w której zachodzi reakcja utleniania podczas rozładowywania. Anoda wykonana jest z grafitu- formy węgla, która ma zdolność do wchłaniania jonów litu. Ta właściwość grafitu pozwala na efektywną wymianę jonów w trakcie trwania cyklu ładowania i rozładowania, co jest kluczowe dla efektywności całego procesu. Z kolei katoda, będąca drugą elektrodą, odpowiada za reakcję redukcji. W bateriach litowo-jonowych katody najczęściej wykonuje się z różnych związków chemicznych zawierających lit, takich jak tlenek kobaltu (LiCoO₂), tlenek niklu (LiNiO₂) lub fosforan żelazowy (LiFePO₄). Wybór materiału katody wpływa na właściwości baterii, takie jak jej pojemność, stabilność oraz bezpieczeństwo. Oba te elementy – anoda i katoda – współpracują ze sobą, umożliwiając przemianę energii chemicznej w elektryczną. Kolejnym kluczowym składnikiem baterii jest elektrolit- substancja, która umożliwia transport jonów litu między anodą a katodą. W przypadku baterii litowo-jonowych najczęściej wykorzystuje się ciecze na bazie soli litu rozpuszczonych w organicznych rozpuszczalnikach. Elektrolit odgrywa istotną rolę w prawidłowym działaniu baterii, zapewniając swobodny ruch jonów litu, co jest niezbędne do generowania energii elektrycznej. Separator to kolejny ważny element konstrukcji baterii, który oddziela anodę od katody, zapobiegając bezpośredniemu kontaktowi tych dwóch elektrod. Separator, zazwyczaj wykonany z polietylenu lub polipropylenu jest on kluczowy, ponieważ zapewnia bezpieczeństwo działania baterii, jednocześnie pozwalając na przepływ jonów litu. Nie można także zapomnieć o obudowie baterii, która chroni wszystkie wewnętrzne komponenty. Obudowy mogą być wykonane z metalu lub tworzywa sztucznego, i zapewniają odporność na uszkodzenia mechaniczne oraz zmiany temperatury.

Jak działają baterie litowo-jonowa i dlaczego są tak popularne?

            Funkcjonowanie baterii litowo-jonowych opiera się na cyklu ładowania i rozładowywania. Podczas ładowania zewnętrzne źródło energii powoduje przepływ elektronów z katody do anody, co prowadzi do wchłonięcia jonów litu przez anodę. Kiedy bateria jest używana, jony litu przepływają z powrotem do katody, generując przepływ elektronów, co z kolei wytwarza prąd elektryczny. Cały proces jest cykliczny, co umożliwia wielokrotne ładowanie i rozładowywanie baterii. Baterie litowo-jonowe oferują szereg korzyści, które przyczyniły się do ich dominacji na rynku. Ich wysoka gęstość pozwala na przechowywanie większej ilości energii w porównaniu do innych typów baterii, co wpływa na dłuższy czas pracy urządzeń. Dodatkowo, nie występuje w nich tzw. efekt pamięci, co oznacza, że można je ładować w dowolnym momencie, bez obaw o obniżenie pojemności. Lekka konstrukcja to kolejny atut, istotny w zastosowaniach mobilnych. Wszystkie te cechy sprawiają, że baterie litowo-jonowe są niezwykle wydajne i wszechstronne, a ich rozwój nieprzerwanie przyczynia się do postępu technologicznego w wielu dziedzinach życia. Od smartfonów po samochody elektryczne – baterie te zmieniają sposób, w jaki korzystamy z energii w codziennym życiu.

Stan prawny i regulacje

            W obliczu rosnącego zapotrzebowania na baterie, w szczególności te wykorzystywane w samochodach elektrycznych i innych urządzeniach magazynujących energię, kwestie związane z zarządzaniem ich cyklem życia stają się coraz bardziej istotne. W tym kontekście, Unia Europejska przyjęła szereg regulacji mających na celu poprawę efektywności recyklingu oraz minimalizowanie negatywnego wpływu baterii na środowisko, a także ograniczenie zależności od surowców krytycznych, takich jak grafit. Jednym z kluczowych aktów prawnych regulujących rynek baterii w UE jest Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) dotyczące baterii i akumulatorów oraz zużytych baterii i akumulatorów). Dokument ten stanowi zapis prawny dla zarządzania cyklem życia baterii, w tym kwestiami związanymi z projektowaniem, produkcją, recyklingiem oraz unieszkodliwianiem tych urządzeń. Celem rozporządzenia jest zwiększenie efektywności recyklingu, zmniejszenie negatywnego wpływu na środowisko oraz promowanie zrównoważonego rozwoju w sektorze baterii. Rozporządzenie to kładzie duży nacisk na odzyskiwanie surowców krytycznych, takich jak grafit, kobalt, lit czy nikiel, które są niezbędne do produkcji nowoczesnych baterii litowo-jonowych.

            Grafit, który odgrywa kluczową rolę w produkcji anody w tych bateriach, znajduje się na liście surowców krytycznych ze względu na jego ograniczoną dostępność. Według londyńskiej agencji raportowania „Benchmark Minerals” na przełomie lat 2019- 2029 szacowany jest wzrost od 5 do 13-krotny (w przypadku grafitu) na surowce do produkcji baterii.

W kontekście Zielonego Ładu i polityki UE jednym z głównych celów jest zmniejszenie zależności od importu tych surowców, szczególnie z krajów spoza Unii Europejskiej, tj. Chiny. W tym celu UE stawia na rozwój technologii recyklingu baterii, które umożliwiają odzyskiwanie materiałów takich jak grafit, kobalt, lit czy mangan ze zużytych akumulatorów i baterii. Kluczowym punktem w tej strategii jest promowanie tzw. gospodarki o obiegu zamkniętym (circular economy), w której odpady, takie jak zużyte baterie, stanowią cenne zasoby, a nie śmieci. UE dąży do zwiększenia poziomu odzysku surowców krytycznych do co najmniej 90% w przypadku baterii samochodowych do 2030 roku. Celem jest nie tylko odzyskiwanie materiałów, ale także ich ponowne wykorzystanie w nowych produktach, co pozwala na zmniejszenie zapotrzebowania na pierwotne zasoby naturalne.

Wyzwania recyklingu baterii

            W Polsce, podobnie jak w innych krajach UE, regulacje dotyczące recyklingu i regeneracji komponentów bateryjnych są stopniowo wdrażane, jednak cały proces wciąż stoi przed wieloma wyzwaniami. Jednym z głównych problemów jest niska efektywność technologii recyklingu, szczególnie w zakresie odzyskiwania grafitu, który jest materiałem o skomplikowanej strukturze i trudnym procesie odzyskiwania. Większość technologii recyklingu stosowanych obecnie w Polsce polega na mechanicznych lub chemicznych metodach rozdrabniania i oddzielania materiałów, jednak skuteczność tych procesów nie jest wystarczająco wysoka, co sprawia, że duża część surowców nie jest odzyskiwana. Z tego też względu konieczne jest zainwestowanie w rozwój nowych, bardziej efektywnych metod, które będą mogły poprawić odzysk grafitu oraz innych materiałów krytycznych z zużytych baterii.

            Dodatkowo rosnąca liczba samochodów elektrycznych oraz innych urządzeń zasilanych bateriami litowo-jonowymi prowadzi do wzrostu ilości zużytych baterii, co generuje problem ich odpowiedniego recyklingu. Baterie, które nie są odpowiednio utylizowane, mogą stanowić poważne zagrożenie dla środowiska, zanieczyszczając glebę i wodę niekontrolowanym wyciekiem substancji z ich wnętrza. Jednym z najważniejszych wyzwań jest recykling anod grafitowych, które są istotnym komponentem baterii, gdyż stanowią ponad 40% ich całkowitej masy.

            Grafit jest surowcem krytycznym, którego pozyskiwanie wiąże się z wysokimi kosztami i negatywnym wpływem na środowisko. Dlatego regeneracja i ponowne wykorzystanie anod grafitowych jest przedmiotem intensywnych badań. W literaturze wskazuje się, że obecne technologie pozwalają na odzyskiwanie wysokiej jakości grafitu, który może być ponownie wykorzystany do produkcji nowych baterii, co znacząco zmniejsza zapotrzebowanie na jego pierwotne wydobycie oraz może on być wykorzystywany jako substrat do produkcji innych komponentów, np. materiałów elektroprzewodzących.

Podsumowanie

            Recykling i regeneracja baterii stanowią kluczowy element zielonej transformacji, zwłaszcza w kontekście rosnącej liczby pojazdów elektrycznych oraz magazynowania energii z odnawialnych źródeł. Wprowadzenie odpowiednich regulacji prawnych oraz rozwój technologii recyklingu pozwalają na zmniejszenie negatywnego wpływu baterii na środowisko, jednocześnie minimalizując zależność od surowców kopalnych.

Bibliografia

1. Zhang, Y., et al. (2020). "Recent Advances in Recycling Technologies for Lithium-Ion Batteries." Journal of Power Sources, 476, 228819. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2020.228819.
2. Liu, Y., et al. (2021). "Progress in Recycling of Lithium-Ion Batteries: An Overview." Journal of Energy Storage, 35, 102361. DOI: 10.1016/j.est.2021.102361.
3. Dunn, J. B., et al. (2015). "The Role of Battery Recycling in a Circular Economy." Environmental Science & Technology, 49(8), 4877-4885. DOI: 10.1021/es505908h.
4. Binnemans, K., et al. (2013). "Recovery of Rare Earths from Secondary Sources: A Review." Journal of Cleaner Production, 51, 1-14. DOI: 10.1016/j.jclepro.2013.02.008.
5. Gonzalez, M. R., et al. (2022). "The Importance of Battery Recycling for Sustainable Development: An Overview." Sustainable Materials and Technologies, 30, 100996. DOI: 10.1016/j.susmat.2022.100996.
6. Huang, K., et al. (2021). "Review of Battery Recycling: A Comprehensive Analysis of Current and Emerging Technologies." Waste Management, 121, 139-156. DOI: 10.1016/j.wasman.2021.06.023.
7. Wang, J., et al. (2023). "Recycling of Lithium-Ion Battery Waste: A Critical Review on Technologies and Challenges." Chemical Engineering Journal, 452, 139099. DOI: 10.1016/j.cej.2023.139099.
8. European Commission (2022). Proposal for a Regulation on Batteries and Waste Batteries.
9. Gielen, D., Boshell, F., Saygin, D. (2021). The Role of Batteries in Green Transition. International Renewable Energy Agency (IRENA).
10. Tarascon, J.-M. (2021). Advanced Battery Recycling: Challenges and Opportunities.