Переработка аккумуляторных батарей вошла в число 10 прорывных технологий 2023 года по версии MIT Technology Review. Ознакомьтесь с полным списком здесь: Полный список.
Для компании Redwood Materials ряды картонных коробок на гравийной парковке символизируют как прошлое, так и будущее электромобилей. Стихийное хранилище занимает более четырех гектаров на новом объекте по переработке аккумуляторов Redwood недалеко от Рино, штат Невада. Большинство коробок примерно размером со стиральную машину и обернуты белым пластиком. Но некоторые открыты, обнажая свое содержимое: беспроводные клавиатуры, выброшенные игрушки, куски использованных аккумуляторов от Honda Civic.
Далеко не мусор, материалы аккумуляторов во всех этих выброшенных предметах — это приз: металлы являются ценными компонентами, которые могут оказаться критически важными для удовлетворения взрывного спроса на электромобили.
Redwood Materials — одна из растущего числа компаний по переработке, стремящихся предложить альтернативу свалкам для литий-ионных аккумуляторов, используемых в электронике и электромобилях. Компания объявила о планах строительства этого завода стоимостью 3,5 миллиарда долларов в Рино в середине 2022 года. Ожидается, что к 2025 году предприятие будет производить материалы для 1 миллиона литий-ионных аккумуляторов для электромобилей, а к 2030 году нарастит объемы до 5 миллионов. Redwood планирует начать строительство дополнительного объекта на востоке США в 2023 году.
Тем временем канадская фирма Li-Cycle в настоящее время управляет четырьмя коммерческими объектами, которые в совокупности могут перерабатывать около 30 000 метрических тонн аккумуляторов в год, планируя еще три площадки. Другие стартапы, базирующиеся в США, такие как American Battery Technology Company, также объявили о крупных коммерческих испытаниях, присоединяясь к устоявшемуся рынку переработки в Китае и Европе.
Хотя эти новые инициативы по переработке более экологичны, чем захоронение металлов на свалках, ими движет бум рынка электромобилей. Принятие электромобилей стремительно растет в США и по всему миру, что порождает новый спрос на металлы, используемые в их аккумуляторах, особенно на литий, никель и кобальт. Ожидается, что доля электромобилей в продажах новых автомобилей в 2022 году составит 13%, и к 2030 году это число должно вырасти примерно до 30%. Обеспечение всех этих автомобилей аккумуляторами потребует гораздо больше металлов, чем доступно в настоящее время.
К 2035 году может потребоваться более 200 новых рудников только для обеспечения кобальтом, литием и никелем, необходимыми для аккумуляторов электромобилей. Производство лития должно вырасти в 20 раз, чтобы удовлетворить спрос на электромобили к 2050 году.
Переработка может стать основным новым источником сырья. В 2021 году в мире было более 600 000 метрических тонн литий-ионных аккумуляторов и сопутствующих производственных отходов, пригодных для переработки. По прогнозам консалтинговой фирмы Circular Energy Storage, к 2030 году этот показатель превысит 1,6 миллиона метрических тонн к 2030 году. И этот поток может по-настоящему активизироваться позже, когда первое поколение электромобилей отправится на свалки.
Новые достижения в процессе переработки литий-ионных аккумуляторов преобразуют отрасль, позволяя переработчикам отделять и извлекать достаточное количество этих ценных металлов, чтобы сделать процесс экономически выгодным. Переработка не сможет решить проблему дефицита материалов в одиночку, поскольку спрос на металлы превышает объемы, циркулирующие в используемых сегодня аккумуляторах. Но благодаря этим достижениям, она может обеспечить значительную долю поставок в ближайшие десятилетия.
Когда я посетил предприятие в сентябре, Redwood готовилась отгрузить свой первый продукт — небольшой образец медной фольги, используемой в анодах аккумуляторов. Фольгу отправляют производителю аккумуляторов Panasonic для использования на Гигафабрике в Неваде, которая производит элементы питания для автомобилей Tesla менее чем в пяти милях отсюда.
По дороге к заводу Redwood я видел перекати-поле, перепрыгивающее через шоссе, и некоторых диких лошадей, стоявших на склоне холма. Позже я заметил койота, промелькнувшего через парковку.
Но внизу по грунтовой дороге, на месте, атмосфера Дикого Запада быстро сменилась ощущением срочности, исходящим почти от каждого сотрудника. Строились несколько массивных зданий, а инженеры и строители в рабочих жилетах и касках спешно перемещались по объекту, снуя между временными трейлерами, служащими офисами, лабораториями и переговорными.
После завершения строительства комплекс Redwood будет производить два основных продукта: медную фольгу для анодов и смесь лития, никеля и кобальта — так называемый катодный активный материал. Эти компоненты составляют более половины стоимости элементов питания. Redwood прогнозирует, что к 2025 году его завод будет производить их в количестве, достаточном для изготовления аккумуляторов для более чем миллиона электромобилей ежегодно.
Внизу, под трейлерами, здание для производства медной фольги было наиболее готово — имелись крыша и стены; станок для изготовления фольги находился в углу. Но два других основных здания все еще выглядели далекими от завершения — в одном не хватало стен, а другое представляло собой лишь фундамент.
У Redwood большие планы, и предстоит много строительства.
«Чувство паранойи»
Redwood Materials была основана Дж. Б. Стробелем, который, будучи техническим директором Tesla в начале 2010-х годов, возглавлял многие прорывы компании в области аккумуляторов, включая создание сети зарядных станций. Но даже когда Tesla преобразовывала производство и продажу электромобилей, Стробеля беспокоила грядущая потребность в аккумуляторных материалах. Он начал искать способы снизить стоимость аккумуляторов и помочь уменьшить выбросы углерода, связанные с их производством.
Стробель основал Redwood, еще работая в Tesla (ушел в 2019 году); он хотел, как он выражается, создать устойчивую компанию по производству аккумуляторных материалов. В наши дни он говорит о своей миссии с лихорадочным энтузиазмом, сочетающимся с точностью инженера, иногда прерываясь на середине мысли, чтобы перефразировать, объясняя свое видение будущего производства аккумуляторов.
«Это просто не сработает, если у вас не будет замкнутого цикла для сырья», — говорит он. «Недостаточно нового сырья, чтобы продолжать строить и выбрасывать его».
Redwood использует процесс, называемый гидрометаллургией, для извлечения ценных металлов, таких как кобальт, литий и никель, из перерабатываемых аккумуляторов.
Создание замкнутого цикла материалов, где старые аккумуляторы становятся сырьем для новых, кажется очевидным, но его реализация непроста. «Это не просто проблема сортировки или управления отходами», — отмечает Стробель.
Химическое разделение важнейших металлов, запертых в аккумуляторах, — сложная задача. Лаборатории, стартапы и уже существующие компании ищут идеальный процесс для извлечения максимально возможного количества ценных материалов в максимально чистом виде.
Детали того, как Redwood решает эту проблему, являются коммерческой тайной — это «секретный ингредиент» компании. Но ее процесс также находится в стадии разработки, и очевидна срочность его отладки.
«У меня есть своего рода чувство паранойи и срочности, и даже, можно сказать, паники, хотя это и не помогает. Это действительно проистекает из глубокого убеждения, что мы недостаточно осознаем, насколько разрушительным будет изменение климата», — говорит Стробель.
«Я в целом не считаю, что мы движемся достаточно быстро. Я думаю, что никто не движется».
Роль переработки
Большинство предприятий по переработке литий-ионных аккумуляторов используют набор химических процессов, называемых гидрометаллургией, при котором материалы в аккумуляторах растворяются и разделяются с использованием различных кислот и растворителей. В дополнение к никелю, кобальту и другим материалам, таким как графит и медь, недавние разработки позволили извлекать литий с высокой эффективностью с помощью гидрометаллургии.
После дополнительной обработки извлеченные материалы затем могут быть использованы в новых продуктах. В то время как некоторые материалы, например пластик, могут деградировать со временем при переработке, исследователи обнаружили, что металлы, извлеченные из аккумуляторов, работают не хуже добытых для зарядки и хранения энергии.
Многие аккумуляторы, поступающие в Redwood, требуют ручной разборки перед переработкой. Это относится к полным аккумуляторным блокам электромобилей, которые размером с матрас и слишком велики для оборудования Redwood, а также к аккумуляторам, все еще прикрепленным к своим продуктам, таким как ноутбуки или электроинструменты. Все эти типы аккумуляторов обычно содержат литий, никель и кобальт, хотя их относительное количество варьируется; например, аккумуляторы в потребительской электронике, как правило, содержат больше кобальта, чем аккумуляторы в электромобилях.
Ручная разборка не будет идеальной, когда компания начнет принимать больше материалов, — говорит Энди Гамильтон, вице-президент Redwood по производству. В конечном итоге Redwood надеется автоматизировать больше этого сортировочного процесса, хотя создание автоматизированных систем, способных справиться с разнообразием аккумуляторов, которые принимает компания, вероятно, будет сложной задачей.
После сортировки и разборки аккумуляторы, которые все еще сохраняют заряд, могут быть загружены на конвейер и отправлены в одну из четырех массивных камер для процесса, называемого кальцинированием, где батареи прокаливаются при высоких температурах для разрядки и удаления растворителей.
Затем материал измельчается в порошок перед тем, как поступить в гидрометаллургический процесс для разделения отдельных элементов.
Несмотря на недавний технический прогресс, переработка не сможет удовлетворить спрос на аккумуляторные материалы в ближайшее время, считает Алисса Кендалл, исследователь энергетических систем из Калифорнийского университета в Дейвисе. Поскольку спрос по-прежнему экспоненциально растет, переработанные аккумуляторы в лучшем случае обеспечат около половины поставок никеля и лития к 2050 году.
Однако, поскольку химия аккумуляторов развивается, этот процент может измениться, как это уже происходит с кобальтом. Сегодня в аккумуляторах электромобилей меньше кобальта, чем раньше, и производители элементов питания постоянно находят способы использовать этого дорогого металла еще меньше. В результате, по словам Кендалл, к 2040 году переработанный кобальт может составить 85% необходимого объема поставок.
Даже если переработка не сможет полностью заменить горнодобывающую промышленность, сокращение потребности в новых рудниках может уменьшить социальное и экологическое бремя производства новых аккумуляторов. Многие металлы для аккумуляторов добываются в Африке, Азии, Центральной и Южной Америке. Добыча в этих регионах часто связана с нарушениями прав человека, включая принудительный труд и детский труд, а также со значительным загрязнением воздуха и воды, согласно данным Международного энергетического агентства.
В ожидании «цунами» аккумуляторов
Некоторые представители индустрии переработки аккумуляторов утверждают, что отрасли не потребуется особая политическая поддержка, поскольку материалы в аккумуляторах будут достаточно ценными, чтобы оправдать их переработку. Однако недавние политические шаги в США могут дать дополнительный импульс переработчикам, таким как Redwood.
Поскольку производственный завод Redwood находится в США, компания может претендовать на получение кредитов на производство в рамках недавно принятого Закона о снижении инфляции (IRA). IRA также будет стимулировать спрос на сырье у таких предприятий, как Redwood. Чтобы автомобили могли претендовать на налоговые кредиты в размере 7500 долларов, автопроизводителям необходимо будет получать сырье и производить аккумуляторы в США или в странах-партнерах по свободной торговле.
Критики предупреждают, что отрасль может не уложиться в сроки, установленные для этих налоговых льгот на электромобили, особенно в части поиска сырья, поскольку строительство новых рудников может занять до десяти лет. Перерабатывающий завод, с другой стороны, может быть построен быстрее, и некоторые указывают на переработку как на возможный путь для производителей аккумуляторов и автомобилей, стремящихся получить эти кредиты.
Другие правительства рассматривают дополнительные нормативные акты для стимулирования переработки аккумуляторов. В Европе недавно предложенное законодательство включает положения, например, обязывающие первоначальных производителей аккумулятора нести за него ответственность по окончании срока службы. ЕС также рассматривает возможность введения требования о наличии определенной доли переработанного контента в новых аккумуляторах.
Тем не менее, в краткосрочной перспективе может возникнуть дефицит аккумуляторов для переработки. Волна старых аккумуляторов электромобилей, ожидаемая в ближайшие десятилетия, пока что является лишь каплей в море, поскольку лишь небольшое количество электромобилей сходит с дорог.
Около половины того, что в настоящее время принимает Redwood, никогда не использовалось в продуктах. Этот материал варьируется от собранных и заряженных аккумуляторов, не прошедших проверку качества, до остатков металлического листа после вырезания нужных деталей. Каждый день на объекты Redwood прибывают два грузовика с производственным ломом с Гигафабрики Tesla/Panasonic.
Redwood также приняла, как называет это Стробель, «прагматичное» решение временно включать в свою продукцию свежедобытые металлы. Никель и литий в их первой партии катодного активного материала будут состоять только на 30% из переработанных источников — остальное будет поступать из добычи.
Цель состоит в том, чтобы быть готовыми, когда придет «цунами аккумуляторов», — говорит Стробель, — а это значит оптимизировать процесс переработки прямо сейчас.
Путь вперед
Пока продолжалось строительство на более крупном объекте, я прошелся по штаб-квартире Redwood в Карсон-Сити, где их ученые все еще экспериментируют с процессом гидрометаллургии.
Исследователи работают над использованием химии для извлечения металлов из материалов литий-ионных аккумуляторов еще с конца 1990-х годов. Компании в Китае продвинулись быстрее всех, построив обширную сеть центров переработки при государственной поддержке.
Но разработка системы, способной извлекать высокие уровни всех самых дорогих металлов из аккумуляторов, оказалась непростой задачей. Литий оказался особенно сложным. Стробель говорит, что из четырех металлов, на которых Redwood сосредоточена больше всего, они могут достичь почти 100% извлечения кобальта, меди и никеля. Для лития этот показатель составляет около 80%.
Переход от лаборатории к реальным условиям также может все усложнить.
Мэри Лу Линдстром, руководитель отдела гидрометаллургии в Redwood, провела мне экскурсию по пилотной лаборатории в Карсон-Сити, которая напоминала мини-пивоварню, с оборудованием из нержавеющей стали, расположенным в огромном помещении. Исследователи толпились вокруг компьютера и одного из больших металлических резервуаров.
Линдстром объяснила, что они работают над созданием сырья для первой партии коммерческой медной фольги; производство должно начаться в ближайшие недели. Поставка в Panasonic была запланирована на декабрь.
Техническая деталь все еще стоит на пути к видению Стробеля о замкнутой экосистеме аккумуляторов. Медь, которую Redwood использовала для производства фольги, поступала из промышленного медного лома, а не из аккумуляторов. Компания надеется использовать хотя бы часть аккумуляторного материала в медной фольге, которая в конечном итоге будет поставляться Panasonic для использования в новых элементах питания. Но промышленный медный лом — более предсказуемый в работе материал.
Этот переход указывает на одну из основных потенциальных проблем для переработчиков аккумуляторов в будущем: им придется иметь дело с непредсказуемыми входными данными, создавая при этом предсказуемые, высококачественные продукты. Если переработчики аккумуляторов будут конкурировать за материалы, эта проблема усугубится, поскольку стартапам, возможно, придется принимать менее идеальный материал, чтобы выжить.
На данный момент Redwood может дополнять свои процессы производственным ломом, который в целом легче в обращении, а также добытым материалом. Но по мере роста объемов старых аккумуляторов и истощения запасов добытого лития проблемы для переработчиков будут накапливаться.
«Все чаще решение некоторых из этих проблем устойчивого развития состоит в том, чтобы электрифицировать и добавить к этому аккумулятор», — говорит Стробель. «Я провел большую часть своей карьеры, отстаивая это и помогая ускорить это».
«В то же время, — добавляет он, — это феноменальное количество аккумуляторов».
Электромобили и другие электрифицированные виды транспорта становятся практичным выбором. Во многих частях мира владеть и управлять электромобилем уже дешевле, чем обычным автомобилем. И это хорошая новость для климата: в большинстве случаев электромобили за время своего срока службы производят меньше парниковых газов, чем автомобили с бензиновым двигателем.
Практичная, экономически выгодная переработка аккумуляторов имеет решающее значение для реализации обещания электромобилей. Хотя волна мертвых батарей может нарастать медленно, индустрия переработки готовится сейчас к тому, что грядет, потому что реализация этого нового видения потребует десятилетий неуклонного прогресса и инноваций. Парковка Redwood, полная выброшенных аккумуляторов, — это только начало.
