CC BY
175УДК: 504.054
ЭЛЕКТРОМОБИЛИ: ГАРАНТИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ИЛИ МИФ?
УТИЛИЗАЦИЯ ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ ПРОБЛЕМА ЭКОЛОГИИ ИЛИ СОВРЕМЕННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ?
ELECTRIC VEHICLES: A GUARANTEE OF ENVIRONMENTAL SAFETY OR A MYTH? RECYCLING OF LITHIUM-ION BATTERIES OF ELECTRIC VEHICLES IS AN ENVIRONMENTAL
PROBLEM OR A MODERN INDUSTRY?
Губенков Андрей Олегович
кандидат юридических наук начальник кафедры огневой подготовки и деятельности органов внутренних дел в особых условиях Орловский юридический институт Министерства внутренних дел России
имени В. В. Лукьянова г. Орел, Россия Gubenkov Andrey Olegovich
Ph. D.
head of the department of fire training and activities internal affairs bodies in special conditions Lukyanov Orel Law Institute of the Ministry of the Interior of Russia
Orel, Russia
Аннотация. В данной статье рассматриваются актуальные для современного общества проблемы, связанные с процессом утилизации литий-ионных аккумуляторов современных электромобилей. Автором, литий-ионные аккумуляторы рассматриваются, с точки зрения, негативного воздействия на экологическую безопасность в процессе их первичного производства, прямой переработки, повторного использования, а также утилизации. Всесторонний анализ факторов, отрицательно влияющих на окружающую среду, позволили прийти к выводу о необходимости переработки значи-тельного количества батарейных блоков электромобилей и дополнительной разра-ботки технологий по вторичному использованию электроносителей. Практическая значимость статьи заключается в том, что содержание работы может послужить наглядным представлением и ознакомить с ситуацией, сложившейся в данное время в сфере производства, утилизации и переработки литий-ионных аккумуляторных блоков для электромобилей.
Abstract. This article discusses the problems relevant to modern society associated with the process of recycling lithium-ion batteries of modern electric vehicles. The author considers lithium-ion batteries from the point of view of the negative impact on environmental safety in the process of their primary production, direct processing, reuse, and disposal. A comprehensive analysis of factors that adversely affect the environment led to the conclusion that it is necessary to recycle a significant number of battery packs of electric vehicles and further develop technologies for the recycling of electric carriers. The practical significance of the article lies in the fact that the content of the work can serve as a visual representation and familiarize with the current situation in the field of production, disposal and processing of lithium-ion battery packs for electric vehicles.
Ключевые слова: электромобили; литий-ионные аккумуляторы; первичное производство; прямая переработка; повторное использование; утилизация.
Keywords: electric vehicles; lithium-ion batteries; primary production; direct processing; reuse; disposal.
Быстрый рост рынка электромобилей необходим для достижения глобальных целей по сокращению выбросов парниковых газов, улучшения качества воздуха в городских центрах и удовлетворения потребностей потребителей, среди которых электромобили становятся все более популярными. Тем не менее, растущее коли -чество электромобилей представляет серьезную проблему для переработки отходов в конце срока эксплуатации автомобиля.
Революция электромобилей, вызванная необходимостью обезуглероживания личного транспорта для достижения глобальных целей по сокращению выбросов парниковых газов и улучшению качества воздуха в городских центрах, должна ради -кально изменить автомобильную промышленность [1, с 214]. В 2017 году объем продаж электромобилей впервые во всем мире превысил миллион автомобилей в год. Количество электромобилей, проданных по всему миру, может достигнуть 15 миллионов единиц к 2030 году [2, с. 299]. На рынке аккумуляторов литий-ионные аккумуляторы пользуются высоким спросом в плане покупки и вложении инвестиций.
При среднем весе аккумуляторной батареи автомобиля в 250 кг и объеме в полкубометра, получаемые в результате аккумуляторные отходы составят около 250000 тонн и полмиллиона кубических метров не переработанных аккумуляторных отходов, в случае достижения транспортными средствами конца своего срока служ -бы. Совокупное количество отходов электромобилей является значительным, учиты -вая траекторию роста рынка электромобилей. Они представляют собой ряд серьез -ных масштабных проблем, с точки зрения хранения, переработки и утилизации батарей, а также вреда экологии.
Учитывая, что на экологический след производства электромобилей сильно влияет добыча сырья и производство литий-ионных аккумуляторов (далее - ЛИА), возникающие потоки отходов неизбежно предъявляют различные требования к сис -темам разборки и переработки по окончании срока службы аккумуляторов [3, с. 322]. Переработка означает, что батареи следует перерабатывать, восстанавливая как можно больше материала и сохраняя любую структурную ценность и ка-чество (например, предотвращая загрязнение). Разрабатываются проекты вторич-ного использования батарей. Однако, большие концентрации отходов могут создать серьезные проблемы. Например, пожар в складированных шинах в Поуисе, Уэльс, тлел в течение пятнадцати лет с 1989 по 2004 год. Поскольку материалы электродов в ЛИА гораздо более реактивны, чем резина шин, без и экономически обоснован -ной стратегии обращения с отходами для ЛИА потенциально существуют более серьезные опасности, связанные со складированием ЛИА с истекшим сроком службы. Уже сейчас увеличивается число зарегистрированных пожаров на предприятиях по извлечению металлов из-за незаконного или случайного сокрытия (потребительских) ЛИА под видом, например, свинцово-кислотных аккумуляторов. Среди
примеров недавних крупных пожаров можно назвать те, которые произошли на предприятиях по переработке металлов в Шорвее, Сан-Карлос, США, в сентябре 2016 года, Гернси в августе 2018 года и Такоме, штат Вашингтон, США, в сентябре 2018 года.
Если рассмотреть способы первичного производства, то для производства одной тонны лития требуется 250 тонн минеральной руды сподумена. Переработка большого количества сырья может привести к значительному воздействию на окружающую среду. Производство из рассола, например, влечет за собой бурение сква -жины в солончаке и выкачивание богатого минералами раствора на поверхность. Однако эта добыча полезных ископаемых истощает грунтовые воды. В чилийском Салар-де-Атакама, крупном центре производства лития, 65 % воды в регионе потребляется горнодобывающей промышленностью. Это влияет на фермеров в регионе, которые затем должны импортировать воду из других регионов. Потребность в воде при переработке лития, полученного таким образом значительна: для извлечения одной тонны лития, требуется 1900 тонн воды, которая расходуется на испа -рение. Большую непосредственную озабоченность вызывают запасы кобальта, кото -рые географически сконцентрированы (главным образом в политически нестабиль -ной Демократической Республике Конго). Они испытали резкие краткосрочные колебания цен и вызывают многочисленные социальные, этические и экологичес-кие проблемы в связи с их добычей, включая кустарные рудники с использованием детского труда. В дополнение к экологическим императивам вторичной переработки существуют серьезные этические проблемы с цепочкой поставок материалов, и это социальное бремя ложится на некоторых из наиболее уязвимых людей в мире. Учитывая глобальный характер отрасли, потребуется международная координация для поддержки согласованных усилий по переработке литий-ионных аккумуляторов и циркулярной экономики материалов.
Прибыльное повторное использование обеспечивает потенциальный поток создания ценности, который может компенсировать возможную стоимость перера -ботки, и уже сейчас развивается здоровый рынок бывших в употреблении аккумуляторов для электромобилей для хранения энергии в определенных местах, причем спрос потенциально превышает предложение. На данный момент экономика реше -ния о переработке или повторном использовании твердо настроена в пользу пов -торного использования.
Для повторного использования автомобильные аккумуляторные блоки в настоящее время разбираются вручную. Из-за веса и высокого напряжения тяговых аккумуляторов требуются квалифицированные работники и специальные инстру-менты. Исследование Института автомобильной промышленности показало, что в Великобритании всего 1000 обученных техников, способных обслуживать электромобили, и еще 1000 проходят обучение. Учитывая, что в Великобритании 170 000 автомехаников, это составляет менее 2 % рабочей силы. Есть опасения, что неподготовленные механики могут рисковать своей жизнью, ремонтируя электромобили, и эти опасения логически распространяются на тех, кто работает с транспортными средствами в конце срока службы.
В иерархии обращения с отходами повторное использование считается пред -
почтительным по сравнению с переработкой, чтобы извлечь максимальную эконо -мическую выгоду и свести к минимуму воздействие на окружающую среду. Многие компании в разных частях мира уже тестируют второе использование ЛИА электромобилей для ряда приложений по хранению энергии. Усовершенствованные датчики и усовершенствованные методы мониторинга батарей в полевых условиях и испытаний по окончании срока службы позволят лучше согласовать характеристи -ки отдельных батарей с истекшим сроком службы с предлагаемыми приложениями вторичного использования с сопутствующими преимуществами в отношении срока службы, безопасности и рынка. ценность. Однако даже если все преимущества вто -ричного использования будут реализованы, следует помнить, что переработка (если не захоронение) — неизбежная судьба всех аккумуляторов.
Для прямой переработки, где требуется чистота восстановленных материалов, важен процесс, который включает меньшее загрязнение компонентов на стадии разрушения. Для этого был бы полезен анализ химического состава компонентов клеток, а также состояния заряда и состояния здоровья клеток перед их разборкой на составные части, а не производство смеси всех компонентов. В настоящее время это разделение выполняется только в лабораторных масштабах и обычно использует методы ручной разборки, которые трудно масштабировать с экономической точки зрения. Переход к большей автоматизации и роботизированной разборке обещает преодолеть некоторые из этих препятствий.
Современные возможности робототехники, компьютерного зрения и искусст -венного интеллекта для обращения с разнообразными отходами существуют, и эти системы продемонстрировали достаточную прочность и надежность, чтобы получить признание в ядерной промышленности. В Великобритании, например, управляемые искусственным интеллектом роботизированные манипуляции с машинным зрением для резки загрязненных отходов в радиоактивных средах. Эти достижения в области компьютерного зрения, искусственного интеллекта и основ робототехники открывают перспективы, с помощью которых можно подойти к чрезвычайно сложной открытой исследовательской задаче автоматической разборки аккумуляторов электромобилей.
Революция электромобилей должна радикально изменить автомобильную промышленность, и некоторые из самых глубоких изменений неизбежно коснутся регу -лирования и вывода из эксплуатации транспортных средств в конце срока службы. Учитывая, что складирование отработанных батарей потенциально небезопасно и нежелательно с экологической точки зрения, если прямое повторное использование модуля ЛИА невозможно, его необходимо переработать. Следовательно, обра -щение с отслужившими свой срок электромобилями потребуют радикальных решений.
Некоторые недавние анализы жизненного цикла показали, что применение те -кущих процессов переработки к нынешнему поколению ЛИА для электромобилей может не во всех случаях привести к сокращению выбросов парниковых газов по сравнению с первичным производством. Для этого необходимы более эффективные процессы для повышения как экологической, так и экономической эффективности переработки, которая в настоящее время сильно зависит от содержания кобальта.
На данный момент переработка литий-ионных аккумуляторов проходит в два этапа. Механическая обработка и последующая гидрометаллургическая переработ -ка. Литий-ионные батареи сначала разбираются и обрабатываются в ходе механического процесса. Механическая переработка позволяет восстанавливать пластмассы, алюминий, медь и черные металлы. Черные металлы из батареи, собирается и отправляется на гидрометаллургическую переработку. Другие восстановленные ма-териалы перерабатываются в отдельных процессах.
Ячейки ЛИА могут быть измельчены при различных состояниях заряда, и с ком -мерческой точки зрения, если разряженные модули или ячейки должны быть обработаны таким образом, разрядка перед измельчением увеличивает стоимость про -цессов. Кроме того, остается неясным, каким именно может быть оптимальный уровень разряда. В зависимости от химического состава элементов и глубины разряда чрезмерный разряд элементов может привести к растворению меди в электролите. Присутствие этой меди вредно для регенерации материалов, поскольку затем она может загрязнить все различные потоки материалов, включая катод и сепаратор. Если затем снова увеличить напряжение или возобновить «нормальную» работу, это может быть опасно, потому что медь может повторно осаждаться по всей ячейке, увеличивая риск короткого замыкания и теплового разгона.
Процесс гидрометаллургической переработки включает метод химического осаждения, который позволяет извлекать дефицитные минералы из черных метал -лов и доставлять их производителям аккумуляторов для повторного использования в производстве новых аккумуляторов.
Ряд улучшений мог бы сделать процессы утилизации ЛИА в электромобилях экономически более эффективными, например, более совершенные технологии сортировки, метод разделения материалов электродов, большая гибкость процесса, конструкция для переработки и большая стандартизация аккумуляторов производителями.
Тем не менее, переработанные литий-ионные батареи из электромобилей могут стать ценным вторичным источником материалов. Так как переработанные батареи с высоким содержанием кобальта помогут увеличить запасы кобальта. Если ежегодно будут производиться десятки миллионов электромобилей, бережное отношение к ресурсам, потребляемым при производстве аккумуляторов для электромобилей, безусловно, будет иметь важное значение для обеспечения устойчивости автомобильной промышленности будущего, равно как и эффективное исполь -зование материалов и энергии.
Утилизация аккумуляторов электромобилей по окончании срока службы необходима по многим причинам. В настоящее время мало надежды на то, что будут найдены экологичные типы ЛИА для электромобилей без существенных успешных исследований, поэтому первоочередным фактором остается процесс утилизации аккумуляторов из желания избежать захоронения отходов и обеспечить экологическую безопасность. Бережное отношение к ресурсам, потребляемым в процессе производства литий-ионных аккумуляторных блоков для электромобилей и их переработке, безусловно, является ключом к устойчивости автомобильной промышлен -ности будущего.
Литература
1. Герасимов Д. В. Перспективы использования электромобилей // Евразийский научный журнал. 2016. № 7. С. 213-215.
2. Аракелян А. Г. Масштабы эксплуатации современных электромобилей // Науч-ное образование. 2020. № 3(8). С. 299-300.
3. Лысоконь А. Е., Алфимов Д. Г., Дейкин Е. Д. Сравнение бензиновых автомобилей и электромобилей с позиции сохранения окружающей среды // Вестник современных исследований. 2018. № 10.1(25). С. 321-322.
References
1. Gerasimov D. V. Perspektivy ispol'zovanija jelektromobilej [Prospects for the use of electric vehicles]. Evrazijskij nauchnyj zhurnal - Eurasian Scientific Journal, 2016, no. 7, pp. 213215.
2. Arakelyan A. G. Masshtaby jekspluatacii sovremennyh jelektromobilej [The scale of operation of modern electric vehicles]. Nauchnoe obrazovanie - Scientific education, 2020, no. 3 (8), pp. 299-300.
3. Lysokon' A. E., Alfimov D. G., Dejkin E. D. Sravnenie benzinovyh avtomobilej i elektro-mobilej s pozicii sohranenija okruzhajushhej sredy [Comparison of gasoline cars and electric vehicles from the standpoint of environmental conservation]. Vestnik sovremennyh issledovanij -Bulletin of Modern Research, 2018, no. 10.1 (25), pp. 321-322.
