Актуальность задачи. Литий-ионные аккумуляторные батареи – это вид химических источников тока, быстро завоевавший мировой рынок. Они широко используются в качестве источников питания гаджетов, компьютеров, электромобилей, электросамокатов и т. д. Объединяет литиевые аккумуляторы то, что все они относятся к герметичным необслуживаемым аккумуляторам, которые по завершению срока службы должны утилизироваться, а применяемые в них металлы (литий, кобальт, медь и др.) повторно использоваться.
В России проблема утилизации аккумуляторов такого типа стоит очень остро в первую очередь из-за экологической безграмотности населения (практически нулевой уровень сбора) и, как следствие, отсутствия эффективной и безопасной системы утилизации.
Известно несколько методов утилизации литий-ионных аккумуляторов:
физический (механическое измельчение в кустарных условиях);
гидрохимический;
пирометаллургический.
Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки.
Основным недостатком физического метода является низкая производительность, необходимость предварительной сортировки батарей по химическому составу и заряду.
При использовании гидрохимического метода удается получить вторичный литий. При этом осуществляется механическое измельчение батарей и реализуются химические процессы извлечения материалов – чёрных и цветных металлов (сталь, медь, алюминий), оксидов металлов активного элемента (Mn2O3, NiMnCoAlO2, FePO4), карбоната лития.
При использовании пирометаллургического метода пластмасса, раствор электролита, и графитный электрод сгорают в печи (для поддержания температуры плавления). Конечные вторичные продукты – металлы активного соединения анода (Mn, Ni, Co, Fe), Al и Li находятся в составе шлака, который в дальнейшем используют в качестве добавки в бетон. Выделить литий в чистом виде при такой технологии не представляется возможным.
Для всех указанных выше методов утилизации первоначально утилизируемые аккумуляторные батареи должны быть обесточены и демонтированы. Здесь возникает главная проблема всех существующих методов утилизации – пожаровзрывобезопасность лития, что требует создания особых условий демонтажа. Кроме того, все перечисленные методы утилизации отличаются высокой энергоемкостью и значительными потерями исходных материалов [1-3].
Наиболее эффективным является гидрохимический метод утилизации отработанных литий-ионных батарей, для повышения пожаровзрывобезопасности которого на этапе разрядки и демонтажа следует использовать криогенную заморозку утилизируемых батарей.
Целью подготавливаемой в настоящее время выпускной квалификационной работы по профилю «Инженерная защита окружающей среды» (направление подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность»)является обоснование безопасной и эффективной схемы технологического процесса утилизации литий-ионных аккумуляторных батарей электромобилей.
Для достижения поставленных цели потребуется решить несколько задач.
Рассмотреть риски, связанные с процессом утилизации литий-ионных батарей.
На основании обзора литературы, патентного поиска сравнить существующие технологии и обосновать рациональную технологию утилизации литий-ионных батарей, а также произвести расчеты оборудования.
Разработать методику и выполнить оценку пожаровзрывобезопасности, энергетической и ресурсной эффективности предлагаемой технологии утилизации литий-ионных аккумуляторных батарей в сравнении с прототипом.
Определить экономическую эффективность предлагаемой технологии переработки литий-ионных батарей.
Списоклитературы
D.H. Doughty, E.P. Roth. A General Discussion of Li Ion Battery Safety. URL: www.electrochem.org/dl/interface/sum/sum12/sum12_p037_044.pdf (дата обращения 26.01.2019).
Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы// PowerInfo.ru: сайт. URL: www.powerinfo.ru/accumulator-liion.php (дата обращения 26.01.2019).
M.G. Richard. Elon Musk letter explains why that Tesla Model S caught fire// treehugger: сайт. URL: www.treehugger.com/cars/elon-musk-letter-explains-why-tesla-model-s-caught-fire.html (дата обращения 26.01.2019).