Воздействие литий-ионных батарей на окружающую среду
 | статьи первый раздел Возможно, придется переписать . Причина такова: уход от темы, например, в историю. ( Март 2024 г. ) |
Литиевые батареи — это батареи, в которых используется литий в качестве анода . Этот тип аккумулятора также называют литий-ионным аккумулятором. [1] и чаще всего используется для электромобилей и электроники. [1] Первый тип литиевой батареи был создан британским химиком М. Стэнли Уиттингемом в начале 1970-х годов и использовал в качестве электродов титан и литий. Применение этой батареи было ограничено высокой ценой на титан и неприятным запахом, возникающим в результате реакции. [2] Сегодняшняя литий-ионная батарея, созданная по образцу попытки Акиры Ёсино в Уиттингеме , была впервые разработана в 1985 году.
Хотя литий-ионные батареи можно использовать как часть устойчивого решения, перевод всех устройств, работающих на ископаемом топливе, на литиевые батареи может быть не лучшим вариантом для Земли. Дефицита пока нет, но это природный ресурс, который может быть истощен. [3] По оценкам исследователей Volkswagen, осталось около 14 миллионов тонн лития, что в 165 раз превышает объем производства в 2018 году. [4]
Добыча
[ редактировать ]Литий добывается в промышленных масштабах из трех основных источников: соляных рассолов, богатой литием глины и месторождений твердых пород. Каждый метод влечет за собой определенные неизбежные нарушения окружающей среды. Места добычи солевого рассола на сегодняшний день являются наиболее популярными предприятиями по добыче лития: на их долю приходится около 66% мирового производства лития. [5] Основное экологическое преимущество экстракции рассола по сравнению с другими методами экстракции заключается в том, что на протяжении всей операции необходимо использовать очень мало оборудования. [5] В то время как месторождения твердых пород и богатые литием глины требуют относительно типичных методов добычи с использованием тяжелой техники. [5] Несмотря на это преимущество, все методы используются постоянно, поскольку все они обеспечивают относительно одинаковый процент извлечения. [5] При добыче рассола достигается процент извлечения 97%, тогда как на месторождениях твердых пород достигается процент извлечения 94%. [5]
Континентальная добыча рассола
[ редактировать ]
При экстракции рассола используется выпаривание на открытом воздухе для концентрации рассола с течением времени. Это приводит к потере большого количества воды из-за испарения. Стоит отметить, что в целом испаряемый рассол имеет очень высокую соленость, что делает воду непригодной для использования в сельском хозяйстве или для потребления человеком. [6] После этого концентрированный рассол перемещается на близлежащий производственный объект для производства Li 2 CO 3 и LiOH•H 2 O. [7] Эти производственные предприятия несут ответственность за основную часть загрязнения атмосферы, вызванного местами добычи рассола, выделяя вредные газы, такие как диоксид серы . в воздух [8]
Большинство мест добычи рассола расположены в Южной Америке , а точнее, в Чили и Аргентине , где около половины мировых запасов лития находится в месте, называемом «литиевым треугольником». [5] В Чили , [9] Второй по величине производитель лития в мире, два действующих рудника страны, которыми управляют SQM и Albemarle, расположены на соляной равнине Салар-де-Атакама в пустыне Атакама . [10] Испытания, проведенные на рассолах этих шахт, показали, что в рассоле содержится ~350 г/л общего количества растворенных твердых веществ. [7] Исследования этой шахты и уровня грунтовых вод в этом районе показали, что общий запас воды в Салар-де-Атакама уменьшался на -1,16 мм в год в период с 2010 по 2017 год. [6] Существует сложный разрыв между местными сообществами и внутри них: некоторые принимают выплаты от горнодобывающих корпораций и принимают участие в их инициативах по развитию сообществ, в то время как другие либо игнорируются такими программами, либо отказываются от предложений корпораций из-за их вышеупомянутых экологических проблем. [11] [12] В Тагунге , небольшом городке в Гарзе-Тибетской автономной префектуре Китая, зарегистрированы утечки опасных химических веществ, таких как соляная кислота , в реку Лици с близлежащих предприятий по добыче лития. [13] В результате были замечены мертвые рыбы и крупные животные, плывущие по реке Лици и другим близлежащим рекам возле тибетских рудников. [13] После дальнейшего расследования исследователи обнаружили, что это могло быть вызвано утечкой из испарительных бассейнов, которые простояли месяцами, а иногда даже годами. [14]
Месторождения твердых пород
[ редактировать ]Литий также можно добывать из месторождений твердых пород . Эти месторождения чаще всего встречаются в Австралии , крупнейшем в мире производителе лития. [5] через сподуменовые руды. Сподуменовые руды и другие литийсодержащие месторождения твердых пород во всем мире гораздо менее распространены, чем континентальные рассолы. [6] Хотя месторождения встречаются гораздо реже и доступны для добычи, эксплуатационные затраты очень похожи на затраты на эксплуатацию операции по добыче рассола. [5] В результате продолжают создаваться и использоваться места добычи твердых пород, хотя соляные рассолы встречаются гораздо чаще и обычно оказывают меньшее воздействие на окружающую среду. [6]
Богатые литием глины
[ редактировать ]Извлечение лития из богатых литием глин сначала включает добычу самих глин, что приводит к значительному загрязнению атмосферы. В глине есть несколько минералов, содержащих литий, таких как лепидолит , гекторит , масутомилит, циннвальдит , свинфордит, кукеит и ядарит . [15] После извлечения этих минералов из земли глины обрабатываются для извлечения лития, обычно это делается посредством химических реакций, таких как подкисление. [15] Этот химический процесс может привести к образованию вредных газов и химикатов в качестве побочных продуктов, которые могут легко привести к загрязнению окружающей среды, если с ними не обращаться должным образом. [15] Богатые литием глины являются третьим по значимости источником лития, хотя их гораздо меньше, чем соляных рассолов и руд твердых пород, содержащих литий. Если быть точным, глины, богатые литием, составляют менее 2% мировой литиевой продукции. [16] Для сравнения, добыча рассолов составляет 39%, а руды твердых пород — 59% производства лития. [16]
Утилизация
[ редактировать ]Литий-ионные аккумуляторы содержат такие металлы, как кобальт , никель и марганец , которые токсичны и могут загрязнять водные ресурсы и экосистемы, если вымываются со свалок. [17] Кроме того, пожары на свалках или предприятиях по переработке аккумуляторов объясняются неправильной утилизацией литий-ионных аккумуляторов. [18] В результате в некоторых юрисдикциях литий-ионные батареи подлежат переработке. [19] Несмотря на экологические издержки неправильной утилизации литий-ионных батарей, уровень переработки по-прежнему относительно низок, поскольку процессы переработки остаются дорогостоящими и неразвитыми. [20] Исследование, проведенное в Австралии в 2014 году, показало, что в 2012-2013 годах 98% литий-ионных батарей было отправлено на свалку. [21]
Переработка
[ редактировать ]
С литий-ионными батареями следует обращаться с особой осторожностью с момента их создания, транспортировки и переработки. Переработка чрезвычайно важна для ограничения воздействия литий-ионных батарей на окружающую среду. Перерабатывая батареи, можно сократить выбросы и потребление энергии, поскольку потребуется добывать и перерабатывать меньше лития. [22]
есть У EPA рекомендации по переработке литиевых батарей в США. Существуют разные процессы для одноразовых или перезаряжаемых батарей, поэтому рекомендуется сдавать батареи всех размеров в специальные центры по переработке. Это позволит сделать более безопасным процесс разрушения отдельных металлов, которые можно будет утилизировать для дальнейшего использования. [23]
В настоящее время существует три основных метода переработки литий-ионных аккумуляторов: пирометаллургическое восстановление, гидрометаллургическое восстановление металлов и механическая переработка. [22] Исследование, проведенное в 2016 году на нескольких заводах по переработке отходов в Австралии, показало, что при механической переработке восстанавливается большая часть материалов: в среднем из литий-ионных батарей восстанавливается 7 из 10 возможных материалов. [22] Это же исследование также показало, что гидрометаллургия восстанавливает в среднем 6 из 10 материалов, а пирометаллургические процессы восстанавливают в среднем только половину возможных материалов. [22]
Пирометаллургическое восстановление
[ редактировать ]Процессы пирометаллургического восстановления включают пиролиз, сжигание, обжиг и плавку. [22] В настоящее время большинство традиционных промышленных процессов не способны восстанавливать литий. Основной процесс заключается в извлечении других металлов, включая кобальт, никель и медь. Эффективность переработки материалов и использования капитальных ресурсов очень низкая. Существуют высокие потребности в энергии, а также механизмы очистки газа, которые позволят производить меньший объем побочных газовых продуктов. [24]
Гидрометаллургическая рекультивация металлов
[ редактировать ]Гидрометаллургия использует химические реакции для растворения материалов в растворе, который позже осаждается для получения желаемого сырья. [22] Этот метод переработки уничтожает все органические материалы, такие как пластик, в процессе переработки. [22] При этом гидрометаллургия действительно обеспечивает очень высокую чистоту извлеченных металлов, что делает ее хорошим методом переработки. [22] Его обычно используют для восстановления меди. Этот метод использовался для других металлов, чтобы помочь устранить проблему побочных продуктов диоксида серы, которую вызывает более традиционная плавка. [25]
Прямая/механическая переработка
[ редактировать ]Прямая или механическая переработка включает в себя разрушение старых литий-ионных батарей для извлечения важных, пригодных к использованию компонентов и/или материалов для повторного использования в новых батареях. [22] Этот процесс включает в себя измельчение или дробление старых батарей с последующим извлечением материалов. [22] Это может привести к перекрестному загрязнению, в результате чего некоторые материалы или компоненты станут непригодными для вторичной переработки. [22] Хотя такая форма переработки и является возможным вариантом, она, как правило, остается более дорогостоящей, чем добыча самой руды. [26] С ростом спроса на литий-ионные аккумуляторы необходимость в более эффективной программе переработки становится пагубной, поскольку многие компании стремятся найти наиболее эффективный метод. Одна из наиболее актуальных проблем заключается в том, что при производстве аккумуляторов переработка не считается приоритетом проектирования. [27] Преимущество этого метода переработки заключается в том, что он, как правило, практически не загрязняет окружающую среду в результате процесса, тогда как два предыдущих метода могут производить как вредные химические вещества, так и газы. [22]
Приложение
[ редактировать ]Литий-ионные аккумуляторы имеют множество применений, поскольку они легкие, перезаряжаемые и компактные. В основном они используются в электромобилях и портативной электронике, но также все чаще используются в военной и аэрокосмической промышленности. [28]
Электромобили
[ редактировать ]Основной отраслью промышленности и источником литий-ионных аккумуляторов являются электромобили (EV). В последние годы наблюдается значительный рост продаж электромобилей: по состоянию на 2019 год на более чем 90% всех мировых автомобильных рынков действуют стимулы для электромобилей. [29] Благодаря этому увеличению продаж электромобилей и продолжению их продаж мы можем увидеть значительное улучшение воздействия на окружающую среду за счет сокращения зависимости от ископаемого топлива . [30] Недавние исследования посвящены различным вариантам использования переработанных литий-ионных аккумуляторов, особенно из электромобилей. В частности, вторичное использование литий-ионных аккумуляторов, переработанных из электромобилей, для вторичного использования при снижении пиковой нагрузки в Китае, оказалось эффективным для сетевых компаний. [31] Учитывая экологические угрозы, которые представляют собой отработанные литий-ионные батареи, а также будущие риски поставок компонентов аккумуляторов для электромобилей, необходимо рассмотреть вопрос о восстановлении литиевых батарей. На основе модели EverBatt в Китае было проведено испытание, в результате которого был сделан вывод, что восстановление литий-ионных батарей будет экономически эффективным только в том случае, если закупочная цена отработанных батарей остается низкой. Переработка также будет иметь значительные преимущества с точки зрения воздействия на окружающую среду. Что касается сокращения выбросов парниковых газов, мы видим сокращение общих выбросов парниковых газов на 6,62% за счет восстановления производства. [32]
См. также
[ редактировать ]- Алюминий-ионный аккумулятор
- Стеклянная батарея
- Литий-серная батарея
- Калий-ионный аккумулятор
- Натрий-ионный аккумулятор
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Цзэн, Сяньлай; Ли, Цзиньхуэй; Сингх, Нарендра (19 мая 2014 г.). «Переработка отработанной литий-ионной батареи: критический обзор» . Критические обзоры в области экологических наук и технологий . 44 (10): 1129–1165. дои : 10.1080/10643389.2013.763578 . ISSN 1064-3389 . S2CID 110579207 .
- ^ Молния в бутылке: супербатареи, электромобили и новая литиевая экономика . 01.11.2011.
- ^ Пякурел, Паракрам (11 января 2019 г.). «Литий исчерпан, но чистые технологии основаны на таких невозобновляемых ресурсах» . Разговор . Проверено 25 апреля 2022 г.
- ^ «Добыча лития: Что следует знать о спорном вопросе» . www.volkswagenag.com . Проверено 25 апреля 2022 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час Стерба, Иржи; Кшемень, Алисия; Риск Фернандес, Педро; Эсканчано Гарсиа-Миранда, Кармен; Фидальго Вальверде, Грегорио (август 2019 г.). «Добыча лития: ускорение перехода к устойчивой энергетике» . Ресурсная политика . 62 : 416–426. doi : 10.1016/j.resourpol.2019.05.002 . ISSN 0301-4207 .
- ^ Jump up to: а б с д Вера, Мария Л.; Торрес, Уолтер Р.; Галли, Клаудия И.; Шань, Александр; Флексер, Виктория (март 2023 г.). «Воздействие прямого извлечения лития из рассолов на окружающую среду» . Обзоры природы Земля и окружающая среда . 4 (3): 149–165. дои : 10.1038/s43017-022-00387-5 . ISSN 2662-138X .
- ^ Jump up to: а б Келли, Джарод С.; Ван, Майкл; Дай, Цян; Винджоби, Олумид (01 ноября 2021 г.). «Анализ жизненного цикла энергии, парниковых газов и воды карбоната лития и моногидрата гидроксида лития из рассолов и рудных ресурсов и их использование в катодах литий-ионных аккумуляторов и литий-ионных батареях» . Ресурсы, сохранение и переработка . 174 : 105762. doi : 10.1016/j.resconrec.2021.105762 . ISSN 0921-3449 .
- ^ Дэйли, Сара (2011). «Откуда весь литий?» . ReNew: Технология для устойчивого будущего (115): 64–65. ISSN 1327-1938 .
- ^ Рапира, Роберт. «Крупнейшие производители лития в мире» . Форбс . Проверено 10 апреля 2021 г.
- ^ Агусдината, Дату Буюнг; Лю, Вэньцзюань; Икин, Халли; Ромеро, Хьюго (27 ноября 2018 г.). «Социально-экологические последствия добычи лития: к программе исследований» . Письма об экологических исследованиях . 13 (12): 123001. Бибкод : 2018ERL....13l3001B . дои : 10.1088/1748-9326/aae9b1 . ISSN 1748-9326 .
- ^ «Воздействие литиевых батарей на окружающую среду» . ИЭР . 2020-11-12 . Проверено 14 декабря 2021 г.
- ^ Центр наблюдения и науки за ресурсами Земли (EROS). «Добыча лития в Салар-де-Атакама, Чили | Геологическая служба США» . www.usgs.gov . Проверено 14 декабря 2021 г.
- ^ Jump up to: а б Ахмад, Самар (2020). «Литиевый треугольник: место встречи Чили, Аргентины и Боливии» . Гарвардское международное обозрение . 41 (1): 51–53. ISSN 0739-1854 .
- ^ «Растущий экологический ущерб от нашей зависимости от литиевых батарей» . Проводная Великобритания . ISSN 1357-0978 . Проверено 14 декабря 2021 г.
- ^ Jump up to: а б с Чжао, Хао; Ван, Ян; Ченг, Хунфэй (март 2023 г.). «Последние достижения в экстракции лития из литийсодержащих глинистых минералов» . Гидрометаллургия . 217 : 106025. doi : 10.1016/j.гидромет.2023.106025 . ISSN 0304-386X .
- ^ Jump up to: а б Гоэл, Сиддхарт; Меренхаут, Том; Шарма, Дипак; Райзада, Свасти; Кумар, Прашант (2023). Мировые поставки лития (Отчет). Международный институт устойчивого развития (МИУР). стр. 21–29.
- ^ Джейкоби, Митч (14 июля 2019 г.). «Пришло время серьезно заняться переработкой литий-ионных аккумуляторов» . cen.acs.org . Проверено 05 сентября 2022 г.
- ^ Агентство по охране окружающей среды США, OLEM (16 сентября 2020 г.). «Частые вопросы о литий-ионных аккумуляторах» . www.epa.gov . Проверено 05 сентября 2022 г.
- ^ Берд, Роберт; Баум, Закари Дж.; Ю, Сян; Ма, Цзя (11 февраля 2022 г.). «Нормативно-правовая база по переработке литий-ионных аккумуляторов» . Энергетические письма ACS . 7 (2): 736–740. doi : 10.1021/acsenergylett.1c02724 . ISSN 2380-8195 . S2CID 246116929 .
- ^ «Всемирные правила переработки литий-ионных аккумуляторов» . AZoM.com . 24 января 2022 г. Проверено 05 сентября 2022 г.
- ^ О'Фаррелл, К; Вейт, Р; А'вард, Д; Аллан, П; Перчард, Д. (2014). «Отчет об анализе тенденций и оценке рынка» . Корпорация обслуживания Национального совета по охране окружающей среды .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л Дулан, Мэтью; Бойден, Анна (2016). «Анализ переработки: варианты литиевых батарей» . ReNew: Технология для устойчивого будущего (137): 56–57. ISSN 1327-1938 .
- ^ Агентство по охране окружающей среды США, OLEM (16 мая 2019 г.). «Использованные литий-ионные аккумуляторы» . www.epa.gov . Проверено 22 апреля 2022 г.
- ^ Макуза, Брайан; Тянь, Цинхуа; Го, Сюэй; Чаттопадхай, Кинор; Ю, Давэй (15 апреля 2021 г.). «Пирометаллургические варианты переработки отработанных литий-ионных аккумуляторов: комплексный обзор» . Журнал источников энергии . 491 : 229622. Бибкод : 2021JPS...49129622M . дои : 10.1016/j.jpowsour.2021.229622 . ISSN 0378-7753 . S2CID 233572653 .
- ^ «Гидрометаллургия — обзор | Темы ScienceDirect» . www.sciencedirect.com . Проверено 22 апреля 2022 г.
- ^ «Являются ли литий-ионные аккумуляторы экологически безопасными? -(I)» . 17 сентября 2011 г. Архивировано из оригинала 17 сентября 2011 г. Проверено 7 марта 2021 г.
- ^ Л. Томпсон, Дана; М. Хартли, Дженнифер; М. Ламберт, Саймон; Ширеф, Муез; Дж. Харпер, Гэвин Д.; Кендрик, Эмма; Андерсон, Пол; С. Райдер, Карл; Гейнс, Линда; П. Эбботт, Эндрю (2020). «Важность дизайна при переработке литий-ионных аккумуляторов – критический обзор» . Зеленая химия . 22 (22): 7585–7603. дои : 10.1039/D0GC02745F .
- ^ «Электровая» и Tata Motors сделают электрическую Indica | Cleantech Group . 9 мая 2011 г. Архивировано из оригинала 9 мая 2011 г. Проверено 10 апреля 2021 г.
- ^ «Электромобили – Анализ» . МЭА . Проверено 26 марта 2021 г.
- ^ Ли, Лин; Дабабне, Фадва; Чжао, Цзин (сентябрь 2018 г.). «Экономичная цепочка поставок для восстановления аккумуляторов электромобилей» . Прикладная энергетика . 226 : 277–286. Бибкод : 2018ApEn..226..277L . дои : 10.1016/j.apenergy.2018.05.115 . ISSN 0306-2619 . S2CID 115360445 .
- ^ Сунь, Бинсян; Су, Сяоцзя; Ван, Дэн; Чжан, Лей; Лю, Инци; Ян, Ян; Лян, Хуэй; Гонг, Минмин; Чжан, Вейге; Цзян, Цзючунь (10 декабря 2020 г.). «Экономический анализ литий-ионных аккумуляторов, переработанных из электромобилей для вторичного использования при снижении пиковой нагрузки в Китае» . Журнал чистого производства . 276 : 123327. doi : 10.1016/j.jclepro.2020.123327 . ISSN 0959-6526 . S2CID 225030759 .
- ^ Сюн, Сыцинь; Цзи, Цзюньпин; Ма, Сяомин (февраль 2020 г.). «Эколого-экономическая оценка восстановления литий-ионных аккумуляторов электромобилей» . Управление отходами . 102 : 579–586. Бибкод : 2020WaMan.102..579X . дои : 10.1016/j.wasman.2019.11.013 . ISSN 0956-053X . ПМИД 31770692 . S2CID 208321682 .