Литий-ионная технология позиционировалась как безопасный и устойчивый выбор, но у этой потенциальной панацеи есть очень темная сторона.
Оглавление
- Каковы преимущества использования литий-ионных аккумуляторов?
- Устойчивость литий-ионных технологий: путь к успеху
- Как мы можем уменьшить воздействие литий-ионных аккумуляторов на окружающую среду?
- Каковы альтернативы литий-ионной технологии?
- Заключение
- Часто задаваемые вопросы по литий-ионным батареям
Литий-ионная батарея была впервые предложена университетскими исследователями в Англии в Японии в 1980-х годах, но не стала коммерчески доступной до тех пор, пока Sony Corporation не представила ее в 1991 году. Были и предыдущие попытки создания перезаряжаемых батарей, но они были собственностью каждого изобретателя. Литий-ионный стал стандартной конструкцией, которая предлагала более высокую плотность энергии, более длительный срок службы и меньший вес по сравнению с предыдущими технологиями перезаряжаемых батарей.
За 32 года с тех пор, как Sony представила литий-ионные аккумуляторы, произошла технологическая революция. Литий-ионные аккумуляторы позволяют использовать все, от смартфонов до автомобилей, и технология продолжает развиваться с большей плотностью, более быстрой перезарядкой и более длительным сроком службы.
На предприятии есть две основные области, которые выиграли от революции литий-ионных аккумуляторов: мобильные устройства, такие как ноутбуки, планшеты и смартфоны, создали современную мобильную рабочую силу, которая больше не привязана к своему офису . Другая революция произошла в центрах обработки данных.
В центре обработки данных батареи позволили создать источник бесперебойного питания (ИБП): системы ИБП обеспечивают резервное питание в случае сбоев в электросети. Обычно они не предназначены для продолжения работы в случае отключения питания, а просто позволяют людям сохранить работу и правильно завершить работу, а не просто отключить компьютер.
Однако, как и в любой технологии, здесь есть одна загвоздка. В случае с литий-ионными батареями это воздействие на окружающую среду как добычи лития, так и утилизации разряженных литиевых батарей. Литий-ионные аккумуляторы можно разряжать и перезаряжать столько раз, прежде чем они перестанут удерживать заряд в течение любого промежутка времени. В этот момент их необходимо заменить.
Как частный сектор, так и государственные организации испытывают серьезную и растущую озабоченность по поводу воздействия на окружающую среду производства литий-ионных аккумуляторов и особенно добычи полезных ископаемых, особенно в странах, богатых месторождениями лития, которые активно разрабатываются.
«Для производства всего одной тонны карбоната лития требуется выпаривание 500 000 галлонов литиевого рассола, собранного из-под солончаков Аргентины, Боливии и Чили, где производится основная часть лития», — отмечает Ирина Цукерман, геополитический аналитик и президент компании Scarab Rising, занимающейся оценкой рисков.
Она также отмечает, что сами батареи содержат такие металлы, как кобальт, никель и марганец, которые являются токсичными и могут загрязнять водоснабжение и экосистемы вокруг шахты. Кроме того, пожары на свалках или предприятиях по переработке аккумуляторов объясняются ненадлежащей утилизацией литий-ионных аккумуляторов.
Каковы преимущества использования литий-ионных аккумуляторов?
У литий-ионных аккумуляторов много преимуществ, отсюда и их популярность. «Более длительный срок службы по сравнению с традиционными батареями снижает частоту замены, косвенно способствуя сокращению отходов. Кроме того, они играют важную роль в нашем переходе на возобновляемые источники энергии, поскольку они накапливают избыточную энергию, производимую ветром и солнцем, обеспечивая стабильную подачу даже в периоды низкого производства энергии», — сказала Кимберли Ким, геолог, сертифицированный специалист по безопасности и консультант по экологии.
Преимущества включают в себя:
Высокая плотность энергии: литий-ионные батареи имеют более высокую плотность энергии по сравнению с другими технологиями перезаряжаемых батарей. Это особенно выгодно для небольших устройств, где важны размер и вес. Литий-ионные аккумуляторы известны своей легкостью.
Более длительный срок службы: литий-ионные батареи обычно имеют более длительный срок службы, чем их конкуренты. Некоторые ноутбуки теперь претендуют на 24-часовое время автономной работы.
Низкая скорость саморазряда и более быстрая перезарядка: литий-ионные батареи имеют более низкую скорость саморазряда, чем другие формы перезаряжаемых батарей, что означает, что они разряжаются медленнее, чем аккумуляторы других технологий. Так дольше держит заряд. Они также заряжаются быстрее, чем аккумуляторы других технологий.
Отсутствие эффекта памяти: некоторые аккумуляторы страдают от так называемого эффекта памяти, когда срок службы сокращается, когда аккумулятор многократно перезаряжается до полного разряда. Литий-ионные аккумуляторы не страдают от этого эффекта.
Универсальность формы: литий-ионные батареи могут иметь различные формы и размеры, а не только квадратную или прямоугольную форму других батарей. Это позволяет использовать их в широком спектре устройств.
Меньшее воздействие на окружающую среду : по сравнению с некоторыми другими технологиями перезаряжаемых аккумуляторов, литий-ионные батареи оказывают меньшее воздействие на окружающую среду. Они не содержат токсичных тяжелых металлов, таких как свинец или кадмий, хотя и содержат некоторые токсичные химические вещества, и их легче перерабатывать, чем их аналоги.
Устойчивость литий-ионных технологий: путь к успеху
Горнодобывающая промышленность и производство
Литий может быть третьим наиболее распространенным элементом на земле после водорода и гелия, но его нелегко добывать. Это грязный процесс , заключающийся в закачивании воды в запасы способом, подобным фрекингу, используемому при бурении нефтяных скважин. Для этого требуется значительное количество пресной воды — соленую воду использовать нельзя, — и многие шахты находятся в районах, страдающих от засухи. Он оставляет после себя ядовитое месиво из отходов, и природе требуются столетия, чтобы очиститься.
Процесс добычи включает в себя закачку воды в сланец и извлечение шлама, который должен оставаться открытым для испарения. Процесс полного извлечения лития может занять от 10 до 24 месяцев.
Утилизация и переработка
Как правило, срок службы литий-ионного аккумулятора составляет от 3 до 10 лет в зависимости от количества циклов перезарядки. По оценкам , к 2020 году ежегодно будет образовываться от 200 до 500 миллионов тонн отработанных аккумуляторных отходов. Поскольку они содержат токсичные металлы, такие как кобальт, выбрасывать их на свалку нельзя. Кроме того, в этих батареях есть ценные металлы, поэтому есть и финансовый стимул для их переработки.
Стивен Атвал, управляющий директор The Big Phone Store, британского бренда по ремонту мобильных телефонов, сказал, что реальная проблема утилизации аккумуляторов заключается в том, насколько дешево это можно сделать. «В настоящее время покупать переработанный литий намного дороже, чем добывать его прямо из-под земли. Это нужно изменить», — сказал он. «Благодаря расширению нашей текущей переработки аккумуляторов эти затраты снизятся . Нам нужно, чтобы это произошло намного быстрее, чем сейчас».
Как мы можем уменьшить воздействие литий-ионных аккумуляторов на окружающую среду?
«Учитывая экологические проблемы, связанные с извлечением лития, энергоемким производственным процессом и проблемами переработки, существует очевидная необходимость в улучшении существующих методов и инноваций в технологии аккумуляторов для обеспечения подлинной устойчивости», — сказал Ким.
Утилизация аккумуляторов: самый очевидный и простой выбор. Ни одна литий-ионная батарея не должна быть отправлена на свалку. Это должна быть уважаемая компания по переработке, которая тщательно проверяется на соответствие экологическим нормам и не использует детский труд, как это часто бывает в некоторых странах.
Улучшение источников: текущий метод добычи устарел, опасен, загрязняет окружающую среду и отнимает много времени. Это созрело для инноваций и улучшений, чтобы оказывать меньшее воздействие на окружающую среду при извлечении лития из земли.
Улучшенная конструкция батареи: это само собой разумеется, так как исследования и разработки в области продления срока службы батареи ведутся с момента ее изобретения. Но необходимы постоянные инвестиции в создание аккумуляторов с более длительным сроком службы, более высокой плотностью энергии и возможностью более быстрой зарядки.
Замена материала: хотя литий-ионные аккумуляторы являются лучшим вариантом на данный момент, на рынке всегда могут появиться альтернативы. В одной альтернативной конструкции вместо лития используется натрий, но она находится на очень ранних стадиях. Необходимо изучить более экологически безопасные альтернативы.
Осведомленность и просвещение общественности: предприятия, как правило, более заботятся об окружающей среде в отношении утилизации разряженных и изношенных литий-ионных аккумуляторов, чем потребители. Потребители должны больше осознавать важность утилизации разряженных батарей, а не просто выбрасывать их в мусорное ведро.
Каковы альтернативы литий-ионной технологии?
Существует ряд альтернативных аккумуляторных технологий, доступных и представленных на рынке, и некоторые из них даже имеют преимущества перед литий-ионными технологиями. Но ни один из них не обладает полным набором функций и сильных сторон, чтобы сравниться с литий-ионным аккумулятором.
Свинцово-кислотные: свинцово-кислотные аккумуляторы являются одной из старейших и наиболее зрелых технологий перезаряжаемых аккумуляторов, которые в основном используются в ИБП и системах резервного питания. Они недороги, но имеют меньшую плотность энергии и более короткий срок службы по сравнению с литий-ионными батареями.
Никель-кадмий (NiCd): они в основном используются в портативной электронике и электроинструментах. Они обеспечивают хорошую производительность и имеют более длительный срок службы по сравнению со свинцово-кислотными батареями, но они содержат токсичный кадмий и имеют более низкую плотность энергии по сравнению с литий-ионными батареями.
Никель-металлогидридные (NiMH): популярные в таких приложениях, как цифровые камеры, гибридные автомобили и портативная электроника, NiMH аккумуляторы имеют более низкую плотность энергии и более короткий срок службы, чем литий-ионные аккумуляторы.
Натрий-ион: натрий-ионные батареи являются альтернативой литий-ионным батареям, потому что натрий более распространен и дешевле, чем литий. Тем не менее, натрий-ионные батареи — это новая технология, которая все еще находится в стадии разработки.
Заключение
В связи с тем, что многие штаты поставили перед собой амбициозную цель по прекращению использования транспортных средств, работающих на ископаемом топливе, в ближайшие годы, мощность аккумуляторов будет важнее, чем когда-либо. Это означает значительное увеличение производства, и некоторые источники могут быть ненадежными. Чили и Мексика национализировали свои обширные месторождения лития, так что поставки могут быть прекращены из-за политической прихоти.
Возможно, самой большой проблемой будет решение условий, в которых добывается литий. Неоднократно разоблачались ужасные условия, в которых часто работают дети, и это встречалось с равнодушием. Общественность, которая требует электромобилей, также должна требовать, чтобы их аккумуляторы производились безопасно и чисто.
Часто задаваемые вопросы
Какие материалы используются в литий-ионных батареях?
Литий-ионная батарея состоит из: катода, который содержит оксид лития-кобальта, литий-никель-марганец-кобальт или литий-железо-фосфат; анод из графита; электролиты с солью лития; разделительная мембрана из микропористого полиэтилена или полипропилена; токосъемники из медной и алюминиевой фольги; связующие и добавки из поливинилиденфторида.
Как перерабатываются литий-ионные аккумуляторы?
Переработка аккумуляторов — это многоэтапный процесс сортировки и разборки, дробления или измельчения аккумулятора, погружения в жидкий раствор для растворения и извлечения активных материалов, извлечения и очистки отдельных элементов, удаления примесей и повторного производства.
В чем опасность производства литий-ионных аккумуляторов?
За исключением уже обсуждавшихся опасностей при добыче полезных ископаемых, существует множество рисков, связанных с токсичностью химических веществ, используемых при изготовлении литий-ионных аккумуляторов. Производственный процесс включает использование нескольких опасных химических веществ и материалов, которые являются токсичными и легковоспламеняющимися. Аккумуляторы содержат легковоспламеняющиеся электролиты и высокореактивные материалы, что делает их взрывоопасными. Там также подвержены электрическим разрядам и несчастным случаям, так как они накапливают электричество.
Каков углеродный след литий-ионных аккумуляторов?
Точный углеродный след очень сложно измерить из-за того, что производство литий-ионных аккумуляторов зависит от множества переменных, не последней из которых является размер аккумулятора. Но есть также проблемы, связанные с методами майнинга, конкретным химическим составом батареи, производственными процессами, используемыми источниками энергии и жизненным циклом батареи.
Каковы потенциальные риски утилизации литий-ионных аккумуляторов?
Если просто выбросить старую батарею и отправить ее на свалку, это может привести к потенциальному загрязнению, особенно когда батарея треснула или повреждена химическими веществами, которые могут просочиться. Батареи, отправленные на свалку, могут загрязнять почву, воду и воздух, создавая риск для экосистем и потенциально попадая в пищевую цепочку.
Они также представляют опасность пожара и взрыва , так как литий-ионные батареи в прошлом были склонны к взрыву. Поврежденные или короткозамкнутые батареи могут выделять тепло и воспламеняться, что может привести к пожару.
