Литий-ионная батарея — основной тип аккумулятора, используемого для питания электрифицированного транспортного средства. Ее масса составляет от 15 до 30 % от общей массы электромобиля. В ее состав входит значительное количество черных и цветных металлов, а также других ценных материалов, которые по окончании ее эксплуатации необходимо восстановить и повторно использовать [3, 4].
На основании проведенного научного анализа технических методов утилизации литий-ионных аккумуляторных батарей определить наиболее эффективный способ, дать им соответствующую оценку и рекомендации для практического использования.
На данный момент наиболее распространенной технологией утилизации является метод физической утилизации литий-ионных батарей — наиболее простой в исполнении и не требующий значительных масштабов. Ее суть заключается в разрушении целостности ячейки с помощью специального оборудования, снабженного затворным механизмом, и ручном отборе материалов, требующих дальнейшего восстановления. Вся эта работа должна происходить в специально поддерживаемых условиях температуры и влажности (температура 21 °С, относительная влажность — 0,5), причина которых связана с одним из основных недостатков данного метода — риском пожаровзрыво опасности батареи во время процесса ее утилизации. Кроме того, в связи с неавтоматизированостью процесса данный метод обладает незначительной производительностью и постоянно варьирующим значением количества восстановимого материала (от 50 до 70 %) [5–8]. Поэтому были рассмотрены следующие методы, способные справляться с задачей утилизации и лишенные данных недостатков. Общий процесс данного метода изображен на рисунке 1.
Европейская компания Umicore разработала процесс плавки, в котором батареи, которые могут быть демонтированы до уровня модуля, подаются в высокотемпературную шахтную печь вместе с шлакообразующим агентом, который обычно представляет собой смесь известняка, песка. Шахтная печь имеет три зоны нагрева. В первой, так называемой зоне предварительного нагрева температура достигает около 300 ºC. Эта температура снижает риск взрыва батареи, в связи с тем что электролит медленно испаряется. Следующей зоной является так называемая зона пиролиза пластмасс, температура в которой около 700 ºC. Сжигание пластика батареи помогает поддерживать высокую рабочую температуру и уменьшает общую энергию потребления дальнейшей стадии плавки. Последняя зона — плавильная и восстановительная зоны, где металлический материал превращается в шлак, содержащий литий, алюминий, силикон, кальций и небольшую часть железа. Если в материале катода присутствует марганец, он также попадает в шлак. Кроме того, образуется сплав меди, кобальта, никеля и оставшейся части железа. Эта стадия происходит при температуре, которая достигает 1200–1450 ºC. Газы, выходящие из плавильной зоны, обрабатываются в камере сгорания, где нагреваются до температуры выше 1150 °С с помощью плазменной горелки. Эта операция необходима для захвата галогенов из электролита. Для достижения этого захвата и предотвращения образования диоксинов или фуранов добавляют ZnO. Также необходима дальнейшая дополнительная очистка газа [9, 10]. Схематически весь процесс показан на рисунке 2.