Электросамокаты, смартфоны и электромобили

В настоящее время по всему миру происходит накопление большого числа отработавших батарей в связи со стремительным внедрением устройств, требующих мобильные источники энергии, во все сферы жизни. Li-ion аккумуляторы являются ценным сырьем, из которого можно извлекать Li, Co, Ni, Mn - дорогостоящие химические элементы. В то же время, накопление li-ion аккумуляторов наносит вред окружающей среде ввиду их крайней токсичности. Существует высокая потребность в литии и кобальте как ресурсах для производства литий-ионных батарей в РФ. Например, ГК «Росатом» в лице интегратора ООО «РЭНЕРА» к 2026 году произведет строительство на площадке Балтийской АЭС завода по производству литий-ионных аккумуляторов общей мощностью не менее 3 ГВт*ч /год. Литий и кобальт, извлекаемые из вторичного сырья, могут использоваться на данном предприятии для производства новых батарей.

Производство источников энергии на основе литий-ионных батарей относится к Критическим Технологиям РФ «Технологии новых и возобновляемых источников энергии, включая водородную энергетику», утвержденным Указом Президента РФ от 16.12.2015 № 623. Большое число отработавших литий-ионных батарей, оставленных без их надлежащей переработки и утилизации, является глобальной экологической проблемой и угрожает здоровью и безопасности жизни будущих поколений. Вследствие этого данный проект соответствует приоритетному направлению «Рациональное природопользование», утвержденному Указом Президента РФ от 16.12.2015 № 623.

Из огня да в полымя - гидрометаллургия и пирометаллургия

В направлении переработки литий-ионных батарей существует два подхода - гидрометаллургия (извлечение ценных металлов из растворов переработки литий-ионных батарей) и пирометаллургия (извлечение ценных металлов путем высокотемпературных процессов в плавильных печах). В первом случае получают продукты высокой чистоты и добиваются полного разделения ценных компонентов, но процесс выходит дорогостоящим и сложным, особенно высоки затраты на органические экстрагенты (Д2ЭГФК и Cyanex 272). Во втором случае происходит выделение токсичных газов, а также невозможно добиться полного разделения ценных металлов.

На территории США и Европейского союза не существует крупных промышленных предприятий, осуществляющих процесс полной промышленной переработки литий-ионных батарей гидрометаллургическим методом, позволяющим производить полное извлечение ценных металлов из отработавших аккумуляторов и их концентрирование во фракциях высокой чистоты. Однако, существуют технологические аналоги в области пирометаллургии – компания Umicore SA (Бельгия) осуществляет переработку литий-ионных батарей объемом до 7000 тонн/год. Пирометаллургический процесс, осуществляемый на данном предприятии, предусматривает возможности переработки различного сырья без изменения технологических условий, относительно прост и доступен в части используемого оборудования, но в ходе осуществления этого процесса происходят высокие потери ценных ресурсов, образуется большое количество отходов, не происходит полного извлечения металлов, а также не производится их полного разделения – конечными продуктами являются сплав CoNiCu и Li2CO3.
На территории Азиатско-Тихоокеанского региона японская компания JX Nippon Mining & Metals Corporation осуществляет переработку литий-ионных батарей гидрометаллургическим методом с полным разделением ценных металлов. В ходе осуществления данного технологического процесса используются дорогостоящие органические экстрагенты (для Mn – Д2ЭГФК, для Co – диалкилфосфиновая кислота с торговой маркой Cyanex 272), что уменьшает экономическую эффективность процесса переработки. Также технологический процесс обращения с отработавшими литий-ионными аккумуляторами на JX Nippon Mining & Metals Corporation предусматривает осуществление электролиза для доочистки ценных металлов, что увеличивает энергозатратность процесса.

На территории РФ переработку литий-ионных батарей методом их механического разделения и сепарации осуществляет ООО "НЭК". Продуктом данного технологического процесса являются кобальто-литиевый концентрат. Извлечение ценных металлов не предусматривается. Гидрометаллургическую переработку литий-ионных батарей на территории РФ осуществляет группа компаний ГК «Мегаполисресурс». В ходе осуществления технологического процесса этого предприятия происходит выделение меди в виде порошка меди, кобальта в форме его солей, лития в форме карбоната лития и алюминия в виде сульфата алюминия. Однако, не производится выделение других ценных металлов – никеля и марганца. В ходе осуществления технологического процесса используется метод электролиза для доочистки металлов, что увеличивает затраты энергии в сравнении с технологическим процессом настоящего исследования.
В целом, на мировом рынке технологий в настоящее время крайне мало установившихся подходов к комплексной переработке литий-ионных аккумуляторов. Имеющиеся аналоги имеют ряд недостатков по сравнению с технологией, разрабатываемой в настоящем исследовании.

Альтернатива.

Технология комплексной гидрометаллургической переработки литиевых батарей, разрабатываемая в ходе настоящего исследования, предполагает использование широко-распространенных реактивов, имеющих низкую стоимость (используются альтернативные органические экстрагенты). Предварительно технология была опробована в лабораторном масштабе, что позволило добиться полного разделения ценных металлов. Были оценены экономические показатели технологии: (на 100 г перерабатываемого сырья издержки составляют 251 р, а доходы 328, таким образом рентабельность процесса переработки составляет 30 %.

Почему именно наша технология?

Разработка обладает рядом преимуществ:

1) полное разделение ценных компонентов с выделением в отдельные фракции высокой чистоты (до 96-98 %) никеля, кобальта, лития, марганца
2) высокая степень извлечения ценных металлов (до 99 % для никеля, кобальта и марганца и до 90 % для лития)
3) использование доступных и экономичных реагентов 
4) простые технологические условия проведения процессов, применение широко распространенного оборудования – реакторов, смесителей, фильтров
5) ресурсосбережение в ходе проведения процессов, экологичность, соответствие технологии требованиям концепции устойчивого развития
6) энергосбережение, применение гидрометаллургического метода переработки для минимизации затрат энергии, потерь ценных металлов и уменьшения воздействия на окружающую среду

Что будет сделано?

В результате выполнения проекта будет разработана и реализована на практике в лабораторном масштабе технология комплексной гидрометаллургической переработки литий-ионных аккумуляторов. Основным отличие предлагаемой технологии от имеющихся аналогов является использование альтернативных органических экстрагентов для селективной экстракции Ni из растворов переработки литий-ионных батарей, что обеспечивает ключевое экономическое преимущество перед имеющимися аналогами.
На первых этапах осуществления проекта будут проведена НИР с целью исследования влияния условий извлечения ценных металлов (Li, Co, Mn, Ni) из литий-ионных аккумуляторов на выход этих химических элементов и состав получаемых фракций. В результате проведения НИР будут определены оптимальные технологические условия извлечения ценных металлов с точки зрения экономической эффективности и экологической безопасности. По результатам проведения НИР будет опубликована статья в международных научных рецензируемых журналах, индексируемых базами данных WoS и Scopus.
Далее будут проведена НИОКР с целью проектирования пилотной технологической линии в лабораторном масштабе, выполнены необходимые расчеты и составлена схема технологической линии. В результате проведенной НИОКР и НИР планируется регистрация патента на способ переработки литий-ионных аккумуляторов.
Разработка технологии комплексной переработки литий-ионных аккумуляторов позволит произвести ее дальнейшее внедрение на предприятиях РФ, что обеспечит критическое преимущество для экономики РФ в условиях глобального перехода к экономике устойчивого развития. Кроме этого, внедрение такой технологии обеспечит экологическую безопасность окружающей среды для настоящего и будущего поколений.

На страницу проекта