Ile żyć ma bateria?

Bez nich trudno byłoby wyobrazić sobie nasze życie. O ile jednak działające baterie dostarczają różnym urządzeniom energię, to pozbawione mocy stanowią problem. Naukowcy na całym świecie pracują nad tym, by ich produkcja była jak najmniej szkodliwa dla środowiska i aby zużyte akumulatorki ponownie wykorzystać. Wśród nich są także badacze z Łukasiewicz – PIT, którzy prowadzą badania w projekcie mającym zwiększyć stopień ich ponownego wykorzystania.

Wystarczy rozejrzeć się wokół siebie, by zobaczyć, ile rzeczy działa na baterie – te jednorazowe i te, które ładujemy. Telefon, laptop, smartwatch czy zwykły zegarek, dziecięce zabawki, maszynka do golenia czy robot sprzątający. Większość z tych sprzętów podłączamy do ładowarki, część – gdy przestanie działać – potrzebuje wymiany baterii. Łączy je jedno: mniejsze lub większe ogniwo, które zasila je energią potrzebną do pracy.

Czym się różni bateria od akumulatora?

Anoda, katoda, elektrolit – to prosty przepis ogniwo galwaniczne, znane jako bateria czy akumulator.  Anoda, czyli elektroda ujemna, wytwarza elektrony, które przemieszczają się do katody, czyli elektrody dodatniej. Owo przemieszczanie się elektronów ułatwia elektrolit. Prąd powstaje więc w wyniku reakcji chemicznej.

Ogniwa dzielą się w zależności od tego, czy dana reakcja chemiczna jest odwracalna, czy nie. W pierwszym przypadku mamy do czynienia z akumulatorami, które wystarczy podładować (znajdziemy je np. w telefonie czy laptopie). W drugim – z bateriami. Jedne i drugie możemy podzielić w zależności od składu, pojemności, gęstości energii, czasu przechowywania, ceny czy kształtu.

Najbardziej popularne baterie to alkaliczne, wynalezione w 1959 roku przez amerykańskiego chemika Lewisa Urry’ego. Wypierają one popularne wcześniej baterie cynkowo-węglowe (znane jako „zwykłe”), ponieważ są od nich dużo bardziej wydajne i zdecydowanie rzadziej przeciekają po wyładowaniu się.

Na rynku mamy jeszcze m.in. baterie srebrowe (wykorzystywane m.in. w zegarkach czy aparatach fotograficznych), cynkowo-powietrzne czy litowe (te ze stałą katodą znajdziemy w małych urządzeniach elektrycznych, z ciekłą – w urządzeniach, które potrzebują większej mocy).

Najpopularniejszymi teraz akumulatorami są litowo-jonowe, wykorzystywane i w telefonach komórkowych, i w samochodach elektrycznych. Oczywiście, te z pojazdów są większe, trwalsze, wyposażone w specjalne układy ogrzewania i chłodzenia (optymalna temperatura dla ogniw litowo-jonowych to 10-25 st. C), szybciej się też ładują.

Życie i śmierć

Baterie i akumulatory dają życie wielu urządzeniom, jednak gdy same się wyczerpią lub zużyją, stają się problemem. Bo stanowią odpady niebezpieczne. A wytwarzamy ich wiele – rocznie Polacy zużywają prawie 300 milionów ogniw galwanicznych, 9 na 10 z nich to baterie.

Wróćmy więc do chemii, ale już nie do reakcji, tylko pierwiastków, takich jak rtęć, ołów, nikiel, kadm, cynk czy lit. Jedna niewielka bateria guzikowa (tzw. pastylka) może skazić do 1 m sześciennego gleby i do 400 l wody. Jedna tona zużytych baterii zawiera przeciętnie 270 kg dwutlenku manganu, 210 kg żelaza, 160 kg cynku, 60 kg grafitu, 3 kg rtęci, 0,5 kg kadmu oraz kilka kilogramów litu i niklu.

Pozostawione na wysypisku zanieczyszczają powietrze, glebę i wody gruntowe. Pośrednio więc mogą też wpływać na zdrowie ludzi.

Właśnie ze względu na swoją szkodliwość baterie nie mogą być wrzucane do zwykłych śmieci. Od 2009 roku w Polsce wszystkie muszą być oddawane do recyklingu. Specjalne pojemniki na nie są w wielu sklepach, można je też zostawić w punktach selektywnej zbiórki odpadów komunalnych.

O ile nieprawidłowo wyrzucone baterie stanowią ogromny problem, o tyle poddane recyklingowi są cennym źródłem surowców. Można odzyskać ponad 99 proc. materiałów zużytych do ich produkcji – miedź, żelazo, nikiel, kobalt, kadm czy glin, a także papier i plastik.

Sam proces ich odzyskiwania jest dość skomplikowany i uzależniony od rodzaju baterii. Na początku są one rozdrabniane i dzielone na frakcje: lekką, ciężką i substancje szkodliwe. Różnią się one pod względem fizycznym. Następnie – wykorzystując różne metody fizyczne lub chemiczne – odzyskuje się metale.

Na frakcję lekką składają się m.in. papier, smoła czy krzemionka. Można je ponownie wykorzystać jako paliwo alternatywne. Frakcja ciężka to metale, kwas siarkowy, ołów rafinowany i jego stopy. Je również stosuje się w wielu gałęziach przemysłu. Składowana lub utylizowana jest trzecia frakcja – substancje szkodliwe.

Jak dać drugie życie?

Szacuje się, że trwałość akumulatora litowo-jonowego w telefonie to 2-3 lata, w zależności od tego, jak intensywnie jest wykorzystywany. Samochodowy ma dłuższe życie – minimum 8 lat. Jako że auta hybrydowe i elektryczne stają się coraz bardziej popularne, ponowne zagospodarowanie baterii z nich staje się coraz poważniejszym wyzwaniem. Jeszcze w 2020 samochody elektryczne stanowiły 10,5 proc. europejskiego rynku. Organizacja Enviroment & Transport szacuje, że za dwa lata będzie to już 21 proc., a w 2030 roku – 54 proc. Ma to związek m.in. z unijnymi planami osiągnięcia neutralności klimatycznej w 2050 roku i zakazem sprzedaży nowych samochodów emitujących dwutlenek węgla, który ma wejść w życie w 2035 roku.

Szacuje się, że w 2030 roku 90 proc. akumulatorów litowo-jonowych będzie instalowanych w samochodach. W tym samym roku żywot zakończy 100 tys. ton zainstalowanych wcześniej baterii [w tej części słowo bateria używamy wymiennie z akumulatorem, pamiętając, że to różne ogniwa]. Co z nimi zrobić? Rynki nie opracowały jeszcze modeli ich efektywnego i bezpiecznego zbierania ani także ich ponownego wykorzystania (w końcu zużyty oznacza tu mający jeszcze 80 proc pierwotnej pojemności). Bo wykorzystać go można na dwa sposoby – albo jako zbiornik energii (kupują je chętnie operatorzy sieci energetycznych), albo poddając recyklingowi.

Nad stworzeniem modelu logistyki zwrotnej tych baterii pracują badacze z Łukasiewicz – Poznańskiego Instytutu Technologicznego oraz innych firm i instytucji (m.in. francuskiego Komitetu ds. energii atomowej i alternatywnych źródeł energii – Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives – który jest liderem projektu, Skoda Auto AS czy Renault SAS). Projekt BatteReverse ma na celu stworzenie nowej generacji logistyki zwrotnej baterii litowo-jonowych. Czyli: szybsze sposoby ich rozładowywania i diagnozowania, bezpieczniejsze i tańsze metody pakowania i transportu, zautomatyzowany proces sortowania i rozdrabniania ich oraz bardziej precyzyjną ocenę w kontekście ponownego wykorzystania. W ramach projektu zostanie też stworzona specjalna platforma, która umożliwi śledzenie obiegu akumulatorów (mających swój paszport) i udostępnianie tych danych. Wszystko po to, by stworzyć bardziej zrównoważoną, bezpieczną i opłacalną logistykę zwrotną tych ogniw. Partnerzy projektu BatteReverse chcą do 2026 r. zwiększyć odsetek ponownie wykorzystywanych akumulatorów do 50 proc. i wydajność ich recyklingu do 70 proc.

Zadaniem badaczy z Łukasiewicz – PIT jest opracowanie cyfrowego bliźniaka (digital twin) odzwierciedlającego proces logistyki zwrotnej oraz stworzenie ustandaryzowanego systemu znakowania baterii z pojazdów elektrycznych.

Czy nie zabraknie nam litu?

Odzyskiwanie związków i pierwiastków, z których składają się akumulatory, jest ważne z jeszcze jednego powodu – rosnącej popularności pojazdów elektrycznych. W rezultacie ogromnie wzrosło zapotrzebowanie na pierwiastki, z których produkuje się baterie litowo-jonowe. To lit, nikiel, kobalt, grafit, których wydobycie rośnie razem z ich cenami na światowych rynkach.

Ich wydobycie ma jednak też inne koszty. Lit występuje w przyrodzie powszechnie, ale nie w czystej postaci. Pozyskuje się go więc ze skał (jako krzemian litu) albo ze słonych jezior (węglan litu lub chlorek litu). 50-70 proc. światowych zasobów tego pierwiastka znajduje się w Boliwii – to solniska Salar de Uyuni, pozostałość po słonym jeziorze w Andach. Mimo iż to jedna z największych atrakcji turystycznych Boliwii, rząd tego państwa kilka lat temu podpisał umowę z niemiecką firmą, która ma tam wydobywać lit. Przez Boliwię przetoczyły się manifestacje, podczas których protestowano przeciwko tym planom, obawiając się bezpowrotnego zniszczenia ekosystemu i krajobrazu. Budowa kopalni ma się zacząć w sierpniu tego roku, a eksploatacją złóż ma się zajmować ostatecznie chiński koncern.

Wydobycie litu wiąże się też z ogromnym zużyciem wody – szacuje się, że dla jednego kilograma tego minerału trzeba zużyć jej trzy i pół miliona litrów. W 2018 roku wyciek w kopalni litu w tybetańskim mieście Tagong spowodował śmierć tysięcy ryb i większych zwierząt, np. jaków. Wydobywanie litu, ale także, np. niklu, powoduje też duże zanieczyszczenie powietrza pyłem zawierającym m.in. te pierwiastki.

Połowa światowych zasobów kobaltu znajduje się na terenie Demokratycznej Republiki Konga. Część kopalń należy do międzynarodowych koncernów, ale 25-40 proc. to tzw. kopalnie rzemieślnicze, w których pracują także dzieci (40 tys. wg szacunków UNICEF). I dzieci, i dorośli wydobywają kobalt gołymi rękoma, pracując za dolara lub dwa dziennie w niebezpiecznych warunkach. Nie mają odzieży ochronnej ani masek, chorują m.in. na kobaltozę, śmiertelną chorobę płuc, i żyją w jednym z najbardziej zanieczyszczonych regionów świata.

Zadbaj o swoje baterie

Jak sprawić, by akumulator w telefonie  lub innym urządzeniu wytrzymał jak najdłużej? Po konkretne wskazówki warto zajrzeć na strony internetowe producenta, jednak warto się trzymać kilku uniwersalnych zasad.

Po pierwsze, nie rozładowywać do 0 procent. To już nie te czasy i nie te baterie. Poziom naładowania 15-20 proc. (w zależności od urządzenia) to znak, że należy je podłączyć do ładowarki. Optymalne naładowanie to od 40 do 80-90 proc. i w przypadku akumulatorów litowo-jonowych nie musimy się bać naładowania do stu procent. Ani pozostawienia telefonu podłączonego do ładowarki na całą noc.

Po drugie, wyłączyć aplikacje działające w tle, nieużywane usunąć i wyłączyć odświeżanie aplikacji w tle.

Po trzecie, zmniejszyć jasność ekranu, włączyć jej automatyczną regulację, wybierać tryb ciemny.

Po czwarte, wyłączyć lokalizację w wielu aplikacjach, które z niej korzystają, choć ty niekoniecznie korzystasz z nich. GPS zużywa wiele energii. Podobnie jak opcja poszukiwania sieci Wi-Fi.

Po piąte, wyłączyć niepotrzebne powiadomienia i wibracje.

Po szóste, używać oryginalnych ładowarek.

Po siódme, dbać o to, by urządzenie pracowało w optymalnej temperaturze (każdy producent podaje jej zakres).