כיצד פועלות סוללות ממוחזרות

כיצד פועלות סוללות ממוחזרות

הדחיפה לעבר אנרגיה נקייה הביאה לעלייה מהירה בשימוש בסוללות - החל מטלפונים ניידים ומחשבים ניידים ועד כלי רכב חשמליים ואחסון אנרגיה בקנה מידה גדול. אך למרות יתרונותיהן, סוללות מציבות גם אתגרים סביבתיים: חומרי גלם מוגבלים, פליטות מכרייה וסיכון לפסולת מסוכנת אם יושלכו בצורה לא נכונה. כאן נכנס לתמונה מושג הסוללות הממוחזרות. סוללות ממוחזרות אינן רק סוללות "משומשות", אלא חלק ממערכת מעגלית שמחזירה חומרים יקרי ערך לשרשרת האספקה. אז איך סוללות ממוחזרות עובדות בפועל?

מהי סוללה ממוחזרת?

המונח "סוללה ממוחזרת" מתייחס בדרך כלל לשני דברים. ראשית, סוללות העשויות מחומרים ממוחזרים, כגון ניקל, קובלט, ליתיום, מנגן, גרפיט, נחושת ואלומיניום המופקים מסוללות משומשות. שנית, סוללות המיועדות למחזור קל, כגון שימוש בעיצובים מודולריים, רצועות הניתנות להסרה בקלות ותוויות כימיות שקופות. בפועל התעשייתי, המוקד העיקרי הוא על יצירת לולאה סגורה: סוללות משומשות מעובדות, החומרים שלהן ממוחזרים ולאחר מכן נעשה בהן שימוש חוזר לייצור תאי סוללה חדשים.

למה צריך למחזר סוללות?

סוללות - במיוחד סוללות ליתיום-יון - מכילות חומרים יקרי ערך וחומרים שעלולים להיות מסוכנים. מיחזור חשוב משום ש:

1. צמצום כרייה: הפקת ניקל, קובלט וליתיום יכולה להפחית את הצורך בכרייה חדשה.
2. הפחתת טביעת הרגל הפחמנית: ייצור חומרים בתוליים מכרייה הוא בדרך כלל עתיר אנרגיה.
3. מניעת זיהום: אלקטרוליטים ותרכובות מסוימות עלולים להיות מסוכנים אם הם דולפים לאדמה או למים.
4. בטיחות: סוללות משומשות עדיין יכולות לאגור אנרגיה והן בסיכון לקצר חשמלי או להתלקחות אם מטפלים בהן בצורה לא נכונה.
5. ביטחון אספקה: מדינות או תעשיות יכולות להפחית את תלותן בחומרי גלם מיובאים.

במילים אחרות, סוללות ממוחזרות "עובדות" כמקור לחומרים חדשים, לא רק כפסולת.

שלב 1: איסוף ומיון

התהליך מתחיל באיסוף סוללות משומשות דרך מרכזי מיחזור, תוכניות החזרה של יצרנים, מוסכים לתיקון רכבים חשמליים או מתקני ניהול פסולת אלקטרונית. לאחר האיסוף, יש למיין את הסוללות, מכיוון שלא כל הסוללות נוצרות שוות. הן מגיעות במגוון כימיקלים: LFP (ליתיום ברזל פוספט), NMC (ניקל מנגן קובלט), NCA, LCO ואחרות. מיון הוא קריטי מכיוון שכל סוג דורש אסטרטגיית שחזור שונה ויש לו ערכי חומר שונים.

בשלב זה, המתקן בדרך כלל בודק:

– סוג סוללה (גלילית, נרתיק, פריזמטית, מודול רכב)
– מצב פיזי (פגום, נפוח, שרוף)
– מדינת אחריות לבטיחות
– מידע על התווית או נתוני BMS (מערכת ניהול סוללות) על סוללת הרכב

שלב 2: שמירה על בטיחות הסוללה (פריקה וייצוב)

לפני פירוקן, סוללות עוברות לעיתים קרובות תהליך פריקה כדי להפחית את הסיכון לקצרים חשמליים ושריפות. עבור סוללות לרכב חשמלי, המודולים או המארזים יכולים להיות בעלי מתח גבוה, הדורשים נהלי בטיחות וציוד מיוחדים.

לאחר מכן, מתבצע ייצוב, למשל באמצעות סביבה אינרטית, קירור או שיטות טיפול המונעות מהאלקטרוליט להגיב עם אוויר. המטרה העיקרית היא להבטיח שהסוללה בטוחה לפירוק ולעיבוד מכני.

שלב 3: פירוק

פירוק יכול להתבצע באופן ידני, חצי אוטומטי או אוטומטי. בסוללות לרכב חשמלי, החבילה נפתחת כדי להפריד:

– מעטפת ומבנה (פלדה, אלומיניום)
– כבלים ומסילות ברזל (נחושת/אלומיניום)
– מערכת קירור ורכיבים אלקטרוניים
– מודולים ותאים

פירוק נכון משפר את יעילות שחזור החומר ומפחית זיהום צולב. עם זאת, פירוק הוא גם מאתגר מכיוון שעיצובי סוללות שונים בין יצרנים ולעתים קרובות משתמשים בדבקים או בריתוכים שקשה להסיר.

שלב 4: עיבוד מכני וייצור של "מסה שחורה"

לאחר הטיפול בתאי הסוללה, השלב הבא הוא עיבוד מכני כגון:

– גריסה (קיצוץ) בתנאים מבוקרים
– ניפוי והפרדת גודל חלקיקים
– הפרדה מגנטית להפרדת ברזל
– סיווג אוויר להפרדת מקטעים קלים
הפרדת צפיפות עבור נחושת ואלומיניום

התוצר העיקרי של שלב זה הוא מסה שחורה, תערובת אבקה עשירה בחומרים פעילים של קתודה/אנודה. מסה שחורה מכילה בדרך כלל ליתיום, ניקל, קובלט, מנגן, גרפיט, ואלקטרוליט וקלסר שיוריים. זהו ה"מכרה" העיקרי במחזור סוללות מודרני.

שלב 5: שחזור חומרים (הידרו-מטאלורגיה ופירומטלורגיה)

כאן נכנס לתמונה לב העניין של "כיצד פועלות סוללות ממוחזרות": סוללות משומשות לא פשוט מנוצלות מחדש, אלא מפורקות לחומרי גלם.

1) פירומטאלורגיה (תהליך תרמי)
שיטה זו משתמשת בטמפרטורות גבוהות כדי להמיס ולהפריד מתכות. יתרונותיה:
סובלני יותר לתערובות כימיות של סוללות
– התהליך פשוט יחסית לשלב הראשוני של ההפרדה.

אבל יש חסרונות:
– צריכת אנרגיה גבוהה
– חלק מהיסודות (כגון ליתיום ואלומיניום) עלולים להגיע לסיגים או לדרוש צעדים נוספים להפקתם.
– יש לשלוט בקפדנות בפליטות פוטנציאליות

פירומטלורגיה מייצרת לעתים קרובות סגסוגות מתכת (למשל, המכילות ניקל, קובלט, נחושת) אשר לאחר מכן עוברות זיקוק חוזר.

2) הידרומטלורגיה (תהליך כימי רטוב)
שיטה זו ממיסה את המסה השחורה באמצעות תמיסה ספציפית (חומצה או חומר שטיפה אחר), ולאחר מכן מפרידה את המתכת באמצעות:
– משקעים סלקטיביים,
– מיצוי ממסים,
– מחליף יונים,
– התגבשות.

היתרונות:
– שיעורי התאוששות גבוהים עבור ניקל/קובלט/מנגן וניתן לייעל אותם עבור ליתיום
טוהר המוצר יכול להיות גבוה מאוד, מתאים לחומרי קתודה חדשים

החסרונות:
מייצר פסולת נוזלית שיש לעבד
- דורש בקרת תהליך קפדנית

במתקנים מודרניים רבים, עיבוד מכני + הידרומטלורגיה הופכת לשילוב פופולרי בשל יעילותה.

3) מיחזור ישיר
גישה זו מנסה לשחזר את חומר הקתודה הפעילה מבלי לפרק אותה לחלוטין למרכיביה הבסיסיים. לדוגמה, קתודות "שלמות" עוברות שיפוץ (ליטיאציה מחדש) כדי להפוך אותן לשימושיות שוב. אם יצליח בקנה מידה גדול, מיחזור ישיר יכול:
– לחסוך באנרגיה,
– להפחית את שלב הזיקוק,
– לשמור על ערכם של חומרים פעילים.

עם זאת, שיטה זו רגישה יותר לזיהום ולשינויים כימיים, ולכן יישומה עדיין נמצא בפיתוח.

שלב 6: הפיכה לחומר גלם חדש לסוללות

לאחר הפקת המתכת, התעשייה מייצרת מוצרים ביניים כגון:
– ניקל סולפט, קובלט סולפט, מנגן סולפט (לקודמי קתודה),
– ליתיום קרבונט או ליתיום הידרוקסיד,
– נחושת ואלומיניום טהורים,
– גרפיט מזוקק (בתהליכים מסוימים).

חומר זה נכנס שוב לשרשרת הייצור: הוא מיוצר לחומרים מוקדמים, קתודות פעילות, אנודות ולאחר מכן תאי סוללה חדשים. בנקודה זו "סוללות ממוחזרות" באמת מתפקדות כמשאב - מה שמפחית את התלות בכרייה וסגר את לולאת החומרים.

מה תפקידם של "Second Life" במערכת האקולוגית של המיחזור?

לפני מיחזורן, חלק מהסוללות - במיוחד אלו של כלי רכב חשמליים - יכולות להיכנס לשלב חיים שני. משמעות הדבר היא שסוללות שהקיבולת שלהן ירדה עבור הרכב (נניח, נותרה על 70-80%) עדיין יכולות לשמש ליישומים שאינם דורשים ביצועים גבוהים, כגון:
– אגירת אנרגיה ביתית,
– כוח גיבוי,
– אגירת אנרגיה עבור פאנלים סולאריים,
– מאזני עומסים בתעשייה.

תקופת חיים שנייה מאריכה את חיי הסוללה, מעכבת את המיחזור ומגדילה את ערכה הכלכלי. עם זאת, בסופו של דבר, הסוללה עדיין תמוחזר.

אתגרים מרכזיים של מיחזור סוללות

למרות שהדבר מבטיח, מיחזור סוללות עומד בפני מספר אתגרים:
– עיצוב לא אחיד: קשה לפרק ולמיין.
– סיכוני בטיחות: סוללות פגומות עלולות לגרום לשריפות.
– כלכלת תהליכים: ערך הקובלט יורד בכמה שיטות כימיות חדשות (למשל, LFP), ולכן מודלים עסקיים חייבים להסתגל.
– קנה מידה ולוגיסטיקה: נדרשת מערכת איסוף מסודרת ותקנות תומכות.
– טוהר המוצר: כדי להיכנס שוב לסוללה, החומר חייב לעמוד במפרטים מחמירים.

הפתרון כולל חדשנות עיצובית, סטנדרטים בתעשייה, אוטומציה של פירוק ומדיניות מורחבת של אחריות יצרן.

מסקנה

סוללות ממוחזרות פועלות בתהליך מובנה: הן נאספות, הופכות לבטוחות, מפורקות, נמעכות למסה שחורה, ולאחר מכן החומר ממוחזר באמצעות שיטות מיחזור תרמיות, כימיות רטובות או ישירות. התוצאה הסופית אינה רק פסולת מופחתת אלא חומרי גלם חדשים לייצור סוללות מהדור הבא. בעזרת מערכת מיחזור מפותחת היטב, סוללות יכולות להפוך לחלק מכלכלה מעגלית - הפחתת ההשפעה הסביבתית תוך הגברת החוסן של אספקת החומרים החיוניים לעתיד האנרגיה.

אם תרצו, אוכל להתאים מאמר זה לקהל יעד ספציפי (סטודנטים, כללי, טכני), להוסיף נתונים סטטיסטיים, או לכלול ביבליוגרפיה ומקורות אמינים.