Способ утилизации литий-ионных аккумуляторов с извлечением ценных компонентов

Введение. В связи с постоянно растущей потребностью в литийионных аккумуляторах (ЛИА) и увеличением количества уже используемых накопительных устройств актуальной темой на сегодняшний день является создание экологичного, безопасного и дешевого способа их утилизации. Жизненный цикл литийионных аккумуляторов меньше, чем оборудования, где они применяются, поэтому возрастает риск образования большого количества отходов, которые могут привести к серьезным проблемам с утилизацией и пагубному воздействию на окружающую среду. В то же время отработанные литийионные аккумуляторы можно использовать вторично, извлекая из них ценные компоненты для возвращения в производственный цикл. В связи с этим целью данной работы является исследование методов утилизации литийионных аккумуляторов и анализ предложенного авторами способа их утилизации с извлечением ценных компонентов (Li2CO3) при внедрении принципов экономики замкнутого цикла в производство.
Материалы и методы. Авторами использовались методы систематизации научной литературы по проблематике утилизации литийионных аккумуляторов. Для выбора наиболее перспективного из них была использована программа Mpr_Dipl. В ней заложены прямые методы принятия решений, метод парных сравнений и метод взвешенной суммы. Разработка технологической схемы процесса переработки ЛИА проводилась в программе «КОМПАС-3D».
Результаты исследования. В результате анализа были выделены достоинства и недостатки каждого метода утилизации литийионных аккумуляторов, а также выбран гидрохимический способ с использованием методики решения задач с многокритериальным выбором. Предложена технологическая схема процесса переработки литийионных аккумуляторов с извлечением карбоната лития, состоящая из пяти стадий: измельчение, разделение, фильтрация, осаждение и вылавливание влажного осадка Li2CO3. Рассчитан материальный баланс разработанного способа утилизации.
Обсуждение и заключение. Разработанная авторами система утилизации обеспечивает безопасную переработку отработавших литийионных аккумуляторов при минимальном негативном воздействии на окружающую среду и максимальном выделении ценных компонентов. Результаты исследования могут быть использованы для модернизации процесса утилизации литийионных аккумуляторов с целью извлечения дополнительной прибыли от продажи карбоната лития.

1. Bin Huang, Zhefei Pan, Xiangyu Su, Liang An. Recycling of Lithium-Ion Batteries: Recent Advances and Perspectives. Journal of Power Sources. 2018;399:274–286. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.07.116

2. Yue Yang, Emenike G Okonkwo, Guoyong Huang, Shengming Xu, Wei Sun, Yinghe He. On the Sustainability of Lithium-Ion Battery Industry — A Review and Perspective. Energy Storage Mater. 2021;36:186–212. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.12.019

3. Аренков И.А., Иванова Д.В., Жеребчикова П.Е. Аналитический обзор рынка производителей литий-ионных аккумуляторов. Экономика, предпринимательство и право. 2023;13(12):5963–5980. https://doi.org/10.18334/epp.13.12.119994

4. Jędrzej Piątek, Semih Afyon, Tetyana M Budnyak, Serhiy Budnyk, Sipponen MH, Adam Slabon. Sustainable Li-Ion Batteries: Chemistry and Recycling. Advanced Energy Materials. 2021;11(43):203456. https://doi.org/10.1002/aenm.202003456

5. Hayder Ali, Hassan A Khan, Pecht MG. Circular Economy of Li Batteries: Technologies and Trends. Journal of Energy Storage. 2021;40:102690. https://doi.org/10.1016/j.est.2021.102690

6. Fisher M, Apt J, Whitacre JF. Can Flow Batteries Scale in the Behind-the-Meter Commercial and Industrial Market? A Techno-Economic Comparison of Storage Technologies in California. Journal of Power Sources. 2019;420:1–8. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.02.051

7. Бесков В.С. Общая химическая технология. Москва: ИКЦ «Академкнига»; 2006. 452 с. URL: https://library.tou.edu.kz/fulltext/buuk/b2381.pdf (дата обращения: 20.06.2024).

8. Velazquez-Martínez O, Valio J, Santasalo-Aarnio A, Reuter M, Serna-Guerrero R, Serna-Guerrero R. A Critical Review of Lithium-Ion Battery Recycling Processes from a Circular Economy Perspective. Batteries. 2019;5(4):68. https://doi.org/10.3390/batteries5040068

9. Jinqiu Xu, Thomas HR, Francis RW, Lum KR, Jingwei Wang, Bo Liang. A Review of Processes and Technologies for the Recycling of Lithium-Ion Secondary Batteries. Journal of Power Sources. 2008;177(2):512–527. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2007.11.074

10. Мельникова А.С. Способы утилизации литий-ионных источников тока. В: Труды международной научной экологической конференции «Аграрные ландшафты, их устойчивость и особенности развития», Краснодар, 24–26 марта 2020 года. Краснодар: Кубанский государственный аграрный университет имени И.Т. Трубилина; 2020. С. 202–204.

11. Xuehu Zhong, Wei Liu, Junwei Han, Fen Jiao, Wenqing Qin, Tong Liu, et al. Pyrolysis and Physical Separation for the Recovery of Spent LiFePO4 Batteries. Waste Management. 2019;89:83–93. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2019.03.068

12. Thompson DL, Hartley JM, Lambert SM, Shiref M, Harper GDJ, Kendrick E, et al. The Importance of Design in Lithium-Ion Battery Recycling – A Critical Review. Green Chemistry. 2020;22:7585–7603. https://doi.org/10.1039/D0GC02745F

13. Ekberg C, Petranikova M. Chapter 7 – Lithium Batteries Recycling. In book: Chagnes A, Światowska J (eds.). Lithium Process Chemistry. 2015. P. 233–267. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-801417-2.00007-4

14. Juntao Hu, Jialiang Zhang, Hongxu Li, Yongqiang Chen, Chengyan Wang. A Promising Approach for the Recovery of High Value-Added Metals from Spent Lithium-Ion Batteries. Journal of Power Sources. 2017;351: 192–199. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2017.03.093

15. Pagliaro M, Meneguzzo F. Lithium Battery Reusing and Recycling: A Circular Economy Insight. Helliyon. 2019;5(6):e01866. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2019.e01866

16. Ишбулатова А.И., Кусова И.В. Гранулирование как способ утилизации лузги подсолнечника. В: Труды IV международной научно-практической конференции «Проблемы обеспечения безопасности» (БЕЗОПАСНОСТЬ-2022), посвященной 90-летию УГАТУ. Уфа: Уфимский государственный авиационный технический университет; 2022. С. 252–255.