Σε μια ανεξάρτητη δοκιμή, τα εξαρτήματα καθόδου που κατασκεύασε η Redwood Materials από μέταλλα που είχαν ανακυκλωθεί, παρουσίασαν παρόμοια απόδοση με εξαρτήματα που κατασκευάστηκαν από πρωτογενή μέταλλα.
Η κάθοδος μιας μπαταρίας είναι ένα ιδιαίτερα σημαντικό στοιχείο. Το πόση ισχύ έχει μια μπαταρία και πόσο διαρκεί, εξαρτάται από το πλέγμα των μεταλλικών ατόμων της καθόδου, ουσιαστικά πόσο αποδοτικά μπορεί η κάθοδος να δεσμεύσει και να απελευθερώσει ιόντα λιθίου. Για δεκαετίες, οι μηχανικοί ασχολούνται με καινοτομίες που θα βελτιώσουν την απόδοση των μπαταριών. Η πρόοδος που έχει γίνει είναι σημαντική, ωστόσο τα ηλεκτρικά οχήματα και οι ηλεκτρονικές συσκευές, παραμένουν βαρόμετρο για την απόδοση των μπαταριών.
Αλλά η κάθοδος είναι επίσης το σημείο της μπαταρίας όπου συνήθως εμφανίζονται λειτουργικά προβλήματα. Αυτή η άψογη δομή, τόσο περίτεχνα διατεταγμένη, αρχίζει να χάνει την ακεραιότητά της με τη συνεχή χρήση. Τα ιόντα κινούνται ανεξέλεγκτα ή συνωστίζονται και η κίνησή τους περιορίζεται. Με αυτό τον τρόπο, η απόδοση της μπαταρίας φθίνει με το χρόνο, φτάνοντας προς το τέλος ζωής της. Αλλά ακόμα και όταν η κάθοδος αποτυγχάνει, τα άτομα στο εσωτερικό της καθόδου δεν αλλάζουν. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο, θεωρητικά, θα πρέπει να είναι δυνατή η επαναχρησιμοποίησή τους.
«Ένα άτομο μετάλλου είναι ένα άτομο μετάλλου», λέει ο Alan Nelson, ειδικός σε θέματα υλικών μπαταριών στη Redwood Materials, μια εταιρεία που ειδικεύεται στην ανακύκλωση μπαταριών. «Το μέταλλο δε γνωρίζει αν χρησιμοποιούνταν προηγουμένως σε μία μπαταρία ή έχει ανακτηθεί από ένα ορυχείο».
Αυτό είναι δυνητικά καλό, επειδή πολλά από αυτά τα μέταλλα, συμπεριλαμβανομένων του κοβαλτίου και του νικελίου, είναι σε έλλειψη και βρίσκονται σε μεγάλους όγκους συνήθως σε μέρη όπου η εξόρυξη τους συνεπάγεται σημαντικό οικολογικό και ανθρώπινο κόστος. Η Redwood Materials δημοσίευσε τα αποτελέσματα δοκιμών στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne που συγκρίνει τα ανακυκλωμένα υλικά με τα πρωτογενώς παραγόμενα, όσον αφορά στην απόδοση μίας καθόδου μπαταρίας. Τα αποτελέσματα των δοκιμών αποδεικνύουν την αρχή ότι ένα άτομο μετάλλου είναι ένα άτομο μετάλλου, από όπου και αν προέρχεται, με συνέπεια η απόδοση των δύο καθόδων να είναι σχεδόν η ίδια.
Η Redwood Materials είναι μια από τις πολλές εταιρείες που προσπαθούν να μετατρέψουν χρησιμοποιημένες μπαταρίες με σκοπό την παραγωγή πρώτων υλών για την κατασκευή νέων. Η επαναχρησιμοποίηση στοιχείων από χρησιμοποιημένες μπαταρίες, με την έννοια ότι το μέταλλο υπάρχει ήδη σε κυκλοφορία, μπορεί να μειώσει την ανάγκη για την εξόρυξη επιπλέον ποσοτήτων μετάλλων, μειώνοντας παράλληλα την ανάγκη για νέα ορυχεία.
Όμως πέρυσι, η εταιρεία, η οποία αρχικώς σχεδίαζε να πουλά τις ανακυκλωμένες πρώτες ύλες της σε κατασκευαστές μπαταριών, έκανε το ασυνήθιστο βήμα να ανακοινώσει σχέδια για την παραγωγή των δικών της υλικών καθόδου και αργότερα επέλεξε μια τοποθεσία έξω από το Rhino της Nevada, όπου θα επενδύσει 3,5 δισ. δολάρια σε μια περίοδο 10 ετών, με σκοπό την κατασκευή ενός νέου εργοστασίου. Η εταιρεία λέει ότι σχεδιάζει να παράγει αρκετό υλικό καθόδου (καθώς και χαλκό σε μορφή φύλλων για ανόδους) για μπαταρίες δυναμικότητας 100 GWh έως το 2025, ισχύς σχεδόν ισοδύναμη με αυτή που παρήγαγε η CATL, ο κυρίαρχος κατασκευαστής μπαταριών στην Κίνα, πέρυσι.
Τα σχέδια της Redwood είναι μια καινοτόμα προσέγγιση των αναγκών που καλείται να καλύψει η βιομηχανία μπαταριών των ΗΠΑ. Παρά τον καταιγισμό ανακοινώσεων για σχέδια εγκαταστάσεων παραγωγής μπαταριών, που ενισχύονται εν μέρει από τις επιδοτήσεις για την ανάπτυξη υποδομών και τις νομοθετικές διατάξεις σχετικά με το κλίμα, οι οποίες περιλαμβάνονται στο νομοσχέδιο για τη μείωση του πληθωρισμού, οι περισσότερες από αυτές τις επενδύσεις έχουν επικεντρωθεί σε στάδια που βρίσκονται πιο κοντά στις αυτοκινητοβιομηχανίες και τους καταναλωτές, όπως η συναρμολόγηση στοιχείων και συστοιχιών μπαταριών.
Οι ΗΠΑ έχουν εν τω μεταξύ προσπαθήσει να αναπτύξουν βιομηχανίες που βρίσκονται βαθύτερα στην αλυσίδα εφοδιασμού, από την εξόρυξη που ανακαλύπτει κρίσιμα ορυκτά, όπως π.χ. το λίθιο και το κοβάλτιο, έως την εκτεταμένη επεξεργασία που τα μετατρέπει σε εξαρτήματα μπαταριών. Οι περισσότερες από αυτές τις διεργασίες γίνονται επί του παρόντος σε άλλες χώρες.
Σύμφωνα με την Benchmark Mineral Intelligence, μια ομάδα που μελετά την αλυσίδα εφοδιασμού μπαταριών, η Κίνα παράγει επί του παρόντος το 78% των υλικών καθόδου σε παγκόσμιο επίπεδο, και αυτό το μερίδιο πιθανότατα θα φτάσει στο 90% έως το 2030, παρά τις προσπάθειες στις ΗΠΑ να επενδύσουν σε εγχώριες αλυσίδες εφοδιασμού για πρώτες ύλες και εξαρτήματα μπαταριών.
Ένας λόγος που οι κινεζικές εταιρείες παραμένουν τόσο κυρίαρχες, είναι ότι έχουν ένα σύστημα κλειστού βρόχου γαι την παραγωγή μπαταριών, λέει ο Hans Eric Melin, ιδρυτής της Circular Energy Storage, μιας εταιρείας συμβούλων που παρακολουθεί την ανακύκλωση μπαταριών. Η παραγωγή στοιχείων μπαταρίας στις ΗΠΑ, σε αυτό το στάδιο, θα απαιτούσε την ανάκτηση όσο το δυνατόν περισσότερων μετάλλων που χρησιμοποιούνται ήδη σε μπαταρίες που έχουν αχρηστευθεί, με σκοπό την επαναφορά αυτών των μετάλλων στην αλυσίδα παραγωγής.
Η πολύπλοκη αλυσίδα εφοδιασμού που επεξεργάζεται τα ακατέργαστα μέταλλα, με αποτέλεσμα την τέλειας δομής κρυσταλλική κάθοδο, μπορεί επίσης να αναπτυχθεί εντός των ΗΠΑ, συγκεντρώνοντας την τεχνογνωσία και μειώνοντας το κόστος μεταφοράς. Η Redwood είναι μεταξύ των εταιρειών που προσπαθούν να επαναφέρουν τη βιομηχανική παραγωγή στον τομέα τους, πίσω στις ΗΠΑ.
Οι προαναφερθείσες δοκιμές, οι οποίες διεξήχθησαν από ανεξάρτητους ερευνητές στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne, είναι ένα πρώιμο βήμα σε μια διαδικασία πιστοποίησης για να πειστούν οι κατασκευαστές μπαταριών για την ποιότητα των ανακυκλωμένων μετάλλων. Η διαδικασία ξεκινά με την αποδόμηση της μπαταρίας και τη διάσπαση των συστατικών της με την εφαρμογή θερμότητας και οξέων, η οποία έχει ως προϊόντα μεταλλικές θειικές ενώσεις, οι οποίες αποτελούνται από στοιχεία όπως το κοβάλτιο, το μαγγάνιο και το νικέλιο. Μόλις διαχωριστούν αυτά τα μέταλλα, το επόμενο βήμα είναι να ενωθούν ξανά.
Η σύνθεση καθόδου που δοκιμάστηκε από τους ερευνητές στο Εργαστήριο Argonne είναι αυτή που είναι γνωστή ως NMC-811: 80% νικέλιο, 10% μαγγάνιο και 10% κοβάλτιο. Αυτές οι πλούσιες σε νικέλιο κάθοδοι έχουν τεθεί ως προτεραιότητα από αυτοκινητοβιομηχανίες όπως η Tesla, επειδή βασίζονται λιγότερο στο κοβάλτιο, ενώ διατηρούν το εύρος αυτονομίας που οι ιδιοκτήτες ηλεκτρικών οχημάτων αναμένουν από τα νέα τους αυτοκίνητα.
Οι ερευνητές πήραν δύο σετ πρόδρομων υλικών - θειϊκά άλατα από ανακυκλωμένα μέταλλα που παρέχονται από τη Redwood και θειϊκά άλατα από πρωτογενή μέταλλα - και διεξήγαγαν μια σειρά βημάτων που αναμειγνύουν στενά τα στοιχεία μεταξύ τους, ενώ στη συνέχεια τα εναποθέτουν πάνω σε στρώσεις λιθίου. Το αποτέλεσμα είναι ένα υλικό καθόδου που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε στοιχεία μπαταριών και να περάσει από ένα σύνολο τυπικών δοκιμών.
Αυτές οι δοκιμές προορίζονται για τη λήψη μετρήσεων σε ό,τι αφορά στη χωρητικότητα, στη διάρκεια ζωής και στο ρυθμό φόρτισης-αποφόρτισης, παράμετρος που σχετίζεται με την ισχύ της μπαταρίας. Οι ερευνητές βρήκαν ότι οι δύο τύποι καθόδων - ανακυκλωμένων και πρωτογενών μετάλλων - έδωσαν σχεδόν τα ίδια αποτελέσματα όσον αφορά στις ανωτέρω μετρήσεις (σε ορισμένες περιπτώσεις, οι ανακυκλωμένες εκδόσεις απέδωσαν καλύτερα, αν και οι ερευνητές προειδοποίησαν ότι αυτό δεν μπορούσε να αποδοθεί απαραίτητα στη διαδικασία της ανακύκλωσης).
«Ειλικρινά, είναι ένα αρκετά προβλεπόμενο αποτέλεσμα», λέει ο Jason Croy, επιστήμονας μπαταριών στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne που ηγήθηκε της έρευνας. Αλλά δεν ήταν δεδομένο, λέει. Ενώ ένα άτομο είναι άτομο, δεν υπήρχε καμία εγγύηση ότι η ανακύκλωση θα παρήγαγε ένα εντελώς καθαρό μεταλλικό προϊόν, αντί για ένα με ανωμαλίες ή προσμίξεις που θα έβλαπτε την παραγόμενη κάθοδο. Μελλοντικά, η Redwood θα προσπαθήσει να κλιμακώσει την παραγωγή και να επιτύχει τη δοκιμή των ανακυκλωμένων πρώτων υλών της από κατασκευαστές μπαταριών και ηλεκτρικών οχημάτων.
Αυτό που είναι πιθανό να είναι ακόμη πιο δύσκολο για τη Redwood, είναι να αποκτήσει αρκετό ανακυκλωμένο υλικό για να μειώσει τις απαιτήσεις για εξόρυξη επιπλέον μετάλλων. Λίγα ηλεκτρικά οχήματα είναι αρκετά παλιά, ώστε οι μπαταρίες τους να ανακυκλωθούν, ενώ διαφαίνεται ότι οι αντοχές των μπαταριών είχαν γενικά υποεκτιμηθεί.
Στο μεταξύ, η Redwood και άλλες νεοφυείς επιχειρήσεις ανακύκλωσης μπαταριών ανταγωνίζονται για να εξασφαλίσουν πηγές προμήθειας χρησιμοποιημένων μπαταριών, συμπεριλαμβανομένων αυτών που προέρχονται από υβριδικά οχήματα (μια καλή πηγή νικελίου), ηλεκτρικά εργαλεία (τα οποία συνήθως χρησιμοποιούν μπαταρίες οξειδίου μαγγανίου-λιθίου) και μικρές συσκευές όπως τηλέφωνα που, παρά τις μικροσκοπικές μπαταρίες τους, συχνά περιέχουν υψηλή αναλογία κοβαλτίου.
«Εξακολουθούμε να αισθανόμαστε πολύ άνετα που, με βάση τις τις προμήθειες χρησιμοποιημένων μπαταριών που έχουμε εξασφαλίσει, θα είμαστε σε θέση να προμηθευόμαστε 30% ανακυκλωμένο νικέλιο και 30% ανακυκλωμένο λίθιο για την κατασκευή των καθόδων μας», λέει ο Nelson. Λόγω της μειωμένης ζήτησης για κοβάλτιο σε νεότερα σχέδια μπαταριών, αναμένει ότι η ανακύκλωση θα καλύψει όλες τις ανάγκες της Redwood για το συγκεκριμένο μέταλλο.
Ωστόσο, η εταιρεία θα χρειαστεί επίσης να προμηθευτεί άφθονο πρωτογενές υλικό για τις καθόδους της, όπως ακριβώς οι κατασκευαστές μπαταριών σε όλο τον κόσμο. «Πιστεύω ότι είναι σημαντικό να δούμε τη Redwood περισσότερο ως εταιρεία υλικών παρά ως ανακυκλωτή», λέει o Melin.
Επισημαίνει ότι η εταιρεία προμηθεύεται επί του παρόντος περίπου το ήμισυ των πρώτων υλών της από scrap που απορρίπτονται από τους κατασκευαστές μπαταριών, το οποίο, αν και είναι επαρκές για να επαναχρησιμοποιηθεί τοπικά, δεν είναι στην πραγματικότητα υλικό που μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί σε ένα στοιχείο μπαταρίας. Αυτό είναι πιθανό να συνεχίσει να ισχύει για κάποιο χρονικό διάστημα, λέει ο Nelson, καθώς ο αριθμός των μπαταριών που φτάνουν στο τέλος της ζωής τους, παραμένει ελάχιστος σε σχέση με τη ζήτηση για νέες μπαταρίες. Στο μεταξύ, προσθέτει, «ο κόσμος μάλλον θα χρειαστεί πολλά νέα ορυχεία».
Με πληροφορίες από wired.com
