Výzkum recyklace lithiových baterií v Ústí nad Labem

Ústecko je jedním ze tří tzv. „uhelných“ krajů (s Karlovarským a Moravskoslezským), které se vypořádávají s útlumem až koncem těžby a s tím souvisejícími ekologickými i sociálně ekonomickými důsledky. Transformace jejich donedávna preferovaného průmyslu však může současně být příležitostí pro nové obory a technologie. Nezanedbatelnou roli může při tom hrát výzkum i na vysokých školách a univerzitách. V Ústí nad Labem si svou pozici nachází Univerzita Jana Evangelisty Purkyně (UJEP), která se již podílela na 9 evropských projektech programu Horizon Europe a v současné době jsou řešeny 4 evropské projekty.

Fakulta životního prostředí ve spolupráci s Přírodovědeckou fakultou UJEP jsou řešiteli projektu INERRANT (https://interrant-batteries.eu), jehož cílem je integrace nových materiálů se škálovatelnými procesy pro bezpečnější a recyklovatelné Li-ion baterie, především pro elektromobilitu. Koordinátorem projektu je profesor Spyros Yannoopoulos z řecké Nadace pro výzkum a technologii Hellas (FORTH), Patras. Tříletý projekt byl zahájen v květnu 2024. Do projektu s rozpočtem přes 4,4 mil. € je zapojeno 11 partnerů ze 6 zemí EU a jeden z USA.

Jak recyklovat lithiové baterie

Cílem výzkumníků z UJEP je úplná recyklace dosloužených Li baterií nejen separací kovů obsažených v tzv. aktivní hmotě baterií (vedle lithia také manganu, niklu a kobaltu) v čistotě potřebné pro jejich opětovné využití ve výrobě nových baterií, ale i dalších částí. Separací je třeba oddělit i měď, hliník, nebo plasty, využitelné při výrobě paliv. To všechno vyžadují principy oběhového hospodářství. Recyklace baterií se týká i grafitu, který rovněž patří mezi použitelné suroviny.

Recyklace vysloužilých, nebo i poškozených baterií začíná jejich rozebráním, rozdrcením a rozemletím na nevábnou drť. Následnou chemickou separací vzniknou soli čistých kovů.

Nejčastější prvky získané z recyklace lithiových baterií.

Jak zvýšit bezpečnost baterií?

Výzkumníci z UJEP vyvíjí nové materiály pro zvýšení nehořlavosti lithiových baterií pomocí inteligentních polymerních separátorů, které v baterii oddělují jednotlivé elektrody. Cílem je vyvinout nové kompozitní separátory, které budou aktivně reagovat na zvyšování teploty v bateriích a potlačovat nežádoucí vznik hořlavého vodíku, který vzniká reakcí lithia. To přispěje ke zvýšení bezpečnosti lithiové baterie a tím i zabránění vzniku požáru, hrozícím při provozu, skladování ale i transportu baterií.

Cestu od výzkumu k aplikacím umožňuje výzkumníkům spolupráce s českými partnery NanoSPACE Technology, s. r. o., (převedení výsledků laboratorního výzkumu separátorů do výrobní praxe) a IBG Česko, s r. o., v oblasti průmyslových technologií pro recyklaci.

Kdo zkoumá recyklaci lithiových baterií na UJEP?

Na řešení projektu se na univerzitě v Ústí nad Labem podílí týmy docenta Jiřího Oravy a profesora Pavla Janoše.

Docent Orava má zkušenosti ze 12 let práce na prestižních výzkumných institucích na University of Cambridge ve Velké Británii, Tohoku University v Japonsku a IFW Leibnizově institutu v Drážďanech v Německu, kde vedle čistě vědeckých poznatků nabyl i praktických zkušeností s administrací a řízením evropských projektů a získal také osobní kontakty se zkušenými řešiteli projektů. O problematice řešené v UJEP říká: „Zatímco nemálo prostředků je investováno do vývoje baterií s větší kapacitou (tj. větším dojezdem elektroaut) a rychlejším nabíjecím cyklem, my se zaměřujeme na zlepšení kontroly teplotního managementu a bezpečnosti při zachování vysoké kapacity a počtu nabíjecích cyklů baterie.“

Profesor Janoš získal zkušenosti během působení ve Výzkumném ústavu anorganické chemie v Ústí nad Labem a v projektu INERRANT má na starosti proces recyklace lithiových baterií a vývoj recyklační jednotky. „Tyto jednotky by měly být situovány poblíž míst, kde se shromažďují použité baterie (automobilky, úložiště energie, specializované sběrné dvory…). Důvodem je zamezení relativně nebezpečného a problematického transportu vybitých baterií. Aktuálně se zaměřujeme na upscaling vyvinuté technologie a s kolegou Oravou společně uvažujeme o vývoji univerzální jednotky, která by byla schopná se adaptovat na rychle se měnící chemické složení využívaných baterií i baterií nových generací,“ řekl profesor Janoš.

„V příštím roce uvedeme do provozu recyklační jednotku, která bude sloužit k ověřování vyvinutých technologií recyklace nových typů baterií, neboť jejich vývoj jde překotně kupředu a my se musíme snažit být ještě o krok napřed,“ dodal profesor Janoš.

Lithium je strategickým prvkem

O lithiu se u nás mluví a píše především s jeho možnou těžbou a zpracováním v Krušných horách, která je zatím ve stádiu průzkumných vrtů a štol, a výzkumu následného postupu separace lithia z lithné slídy (cinvalditu) horniny s obsahem lithia méně než 2 %. Pohled některých úvah a mediálně šířených informací je někdy až příliš optimistický. Opravdovými velmocemi v prokázaných světových zásobách lithia jsou aktuálně Chile (9,3 mil. tun), Austrálie (4,8 mil. t), Argentina (3,6 mil. t) a tyto tři země mají dohromady více než polovinu světových zásob tohoto prvku. Pořadí dalších zemí je Čína (3,0 mil. t), USA (1,1 mil. t), Kanada (930 tis. t), Brazílie (390 tis. t), Zimbabwe (310 tis. t) a Portugalsko (60 tis. t).

Podíl Česka se odhaduje na 3 až 5 % světových zásob. Přílišný optimismus krotí i skutečnost, že jihoamerické zdroje spočívají v podzemních solných jezerech se solemi lithia. Jejich těžba i zpracování na finální produkt je neporovnatelně snazší a levnější než zpracování hlubinně těžených hornin. Získávání lithia ze solanek v jihoamerických zemích začíná jejich solárním odpařováním z povrchových bazénů, což je proti hlubinné těžbě sice energeticky efektivnější, nese však s sebou vysokou ekologickou zátěž (prašnost a šíření aerosolů) do okolí.

Není daleko doba, domnívají se odborníci z Ústí nad Labem, kdy získávání lithia z „end-of-life“ baterií bude zajímavější než z primárních surovin, výše zmíněné solanky nevyjímaje, neboť (alespoň některé) z jihoamerických zemí začínají klást vysoké požadavky na ekologizaci technologií a minimalizaci dopadů na životní prostředí.