Όταν εξετάζουμε πιο φιλικά προς το περιβάλλον πακέτα μπαταριών, η βιωσιμότητα πρέπει να είναι εξαρχής βασικός στόχος. «Με τη βιωσιμότητα, πρέπει να έχετε κατά νου την κατάληξη πριν ξεκινήσετε», λέει ο Douglas MacAndrew, επικεφαλής τεχνολογίας στην InoBat. Η επιλογή υλικού είναι επίσης ζωτικής σημασίας: «Σε επίπεδο κυψελών, πρέπει να πραγματοποιείται μια φυσική αξιολόγηση όπου χρησιμοποιείτε υλικά που μπορούν να ανακτηθούν. Και αυτά που μπορούν να ανακτηθούν οικονομικά». Τα υλικά οξειδίου του κοβαλτίου μαγγανίου λιθίου νικελίου (NMC) δημιουργούν κάποια αξία όταν ανακτώνται. «Πήραμε επιτυχώς ένα ουσιαστικά υλικό χημείας 622 μέσω μιας διαδικασίας μηχανικής και ηλεκτροχημικής ανάκτησης και το μετατρέψαμε ξανά σε ενεργό υλικό 622», λέει ο MacAndrew. Το συγκρίναμε με παρθένα υλικά: απέδωσε εξαιρετικά καλά, με 95% της απόδοσης του παρθένου υλικού».
«Η βιομηχανία μετακινείται από χημεία 622 σε χημεία 811 NMC (80% νικέλιο, 10% μαγγάνιο και 10% κοβάλτιο)», αναφέρει ο Δρ Doron Myersdorf, Διευθύνων Σύμβουλος της StoreDot, της οποίας η τεχνολογία ακραίας γρήγορης φόρτισης (XFC) στοχεύει να παρατείνει τη διάρκεια ζωής των μπαταριών, βοηθώντας στη δεύτερη ζωή και καθυστερώντας την ανάγκη ανακύκλωσης. «Προσπαθούμε να αποφύγουμε τη χρήση κοβαλτίου όσο το δυνατόν περισσότερο», λέει. Η αντικατάσταση των «πολύτιμων» υλικών με στοιχεία που βρίσκονται πιο άφθονα στο περιβάλλον είναι ένα άλλο σημαντικό βήμα: «Αντικαθιστούμε τον γραφίτη με πυρίτιο, το οποίο δεν χρειάζεται να εξορυχθεί. Είναι το δεύτερο πιο άφθονο στοιχείο στη Γη. Το επεξεργαζόμαστε, αλλά όσον αφορά το ίδιο το υλικό, εξαλείφουμε την ανάγκη εξόρυξης άνθρακα».
Ωστόσο, η χρήση του λιθίου, το οποίο πρέπει να εξαχθεί και να επαναχρησιμοποιηθεί, είναι ένα ζήτημα που αφορά τη βιομηχανία: «Το λίθιο είναι το πιο αποτελεσματικό στοιχείο για την αποθήκευση των ιόντων. Επειδή είναι το ελαφρύτερο μέταλλο, μπορεί να μεταφέρει το ιόν στο ενεργό υλικό πιο εύκολα». Κάτι άλλο που πρέπει να εισαχθεί είναι μια ευκολότερη διαδικασία για τον έλεγχο της κατάστασης υγείας της μπαταρίας (SOH), σύμφωνα με τον Andrew Abbott, καθηγητή στο Πανεπιστήμιο του Leicester στο Ηνωμένο Βασίλειο και ερευνητή στο έργο ανακύκλωσης και επαναχρησιμοποίησης μπαταριών ReLiB του ιδρύματος Faraday: «Είναι να έχετε γρήγορο και απλό διαγνωστικό για να γνωρίζετε το SOH της μπαταρίας. Για παράδειγμα, ποια είναι η πραγματική μέγιστη χωρητικότητα της κυψέλης. Όταν ένα όχημα μπαίνει για διαλογή, μια ανάλυση του SOH του μπορεί να αποφασίσει εάν η μπαταρία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για δεύτερη χρήση ή εάν χρειάζεται ανακύκλωση».
Ο σχεδιασμός της ευκολίας αποσυναρμολόγησης από την αρχή της ανάπτυξης μπαταριών για την εύκολη ανακύκλωση είναι ένα βασικό βήμα στη διαδικασία βιωσιμότητας, λέει η Beatrice Simonsson, επικεφαλής διαχείρισης προϊόντων στην Polestar. «Τεχνικά, όλες οι μπαταρίες μπορούν να ανακυκλωθούν σε πολύ υψηλή απόδοση ανεξαρτήτως σχεδιασμού, αλλά η ανακύκλωση είναι πιο αποτελεσματική όταν τα απόβλητα είναι προδιαλεγμένα. Ο σχεδιασμός για την ευκολία αποσυναρμολόγησης των εξαρτημάτων της μπαταρίας αποτελεί μεγάλη εστίαση για εμάς, καθώς διευκολύνει τον διαχωρισμό των διαφορετικών υλικών (αλουμίνιο, χαλκός, ηλεκτρονικά και στοιχεία) προτού εισέλθουν σε μια πολύπλοκη πυρο/υδρομεταλλουργική διαδικασία, η οποία απαιτεί ενέργεια και πολλά βήματα για την εξαγωγή των συστατικών υλικών».
Η βελτίωση της ευκολίας συναρμολόγησης/αποσυναρμολόγησης καθιστά την επισκευή της μπαταρίας πιο οικονομική και βιώσιμη. «Ο σχεδιασμός μιας μπαταρίας με προσβάσιμα και αντικαταστάσιμα εξαρτήματα είναι πολύ σημαντική για την επισκευή του», αναφέρει η Simonsson. «Εάν αυτό δεν είναι δυνατό, έχουμε συνεργασίες για την ανακατασκευή μπαταριών – μια μπαταρία έχει σχεδιαστεί για επισκευή, ανακατασκευή, επαναχρησιμοποίηση και ανακύκλωση». Ο Abbott αναφέρει ότι πολλές μπαταρίες έχουν ελάχιστη διάρκεια ζωής 12 ετών, μερικές φορές ακόμη περισσότερο: «Στην Άπω Ανατολή, γίνεται λόγος για μια μπαταρία «εκατομμυρίων μιλίων» που μπορεί να περάσει από αρκετές εκατοντάδες κύκλους χωρίς σημαντικές μειώσεις». Ο τύπος της κυψέλης και η χημεία παίζουν ρόλο εδώ: «Στη Δύση, οι χημείες βασίζονται κυρίως στο NMC. Στην Ανατολή, υπάρχει μια κίνηση προς τις χημικές ουσίες LFP, οι οποίες είναι κατ’ αρχήν φθηνότερες καθώς δεν εξαρτώνται από σπάνια υλικά, αλλά οι πυκνότητες ισχύος είναι σημαντικά χαμηλότερες».
Μη αναστρέψιμα συγκολλητικά υλικά
Με αυξημένη πυκνότητα ισχύος, η ποσότητα του «νεκρού» υλικού σε ένα στοιχείο μπαταρίας μπορεί να ελαχιστοποιηθεί, αναφέρει ο Abbott: «Μπορούμε τότε να απομακρυνθούμε από μη αναστρέψιμα συνδετικά. Ορισμένοι κατασκευαστές χρησιμοποιούν πολύ μεγάλους όγκους εποξειδικών ρητινών ή ρητινών πολυουρεθάνης για να κολλήσουν μικρές κυψέλες μεταξύ τους [βλ. Premium bonds, αριστερά]. Δίνουν δομή και δύναμη στο σύστημα μετάδοσης κίνησης, αλλά στο τέλος της ζωής τους, ο αριθμός των κυψελών ανά μονάδα όγκου μειώνεται. Το να χωρίσουν οι κυψέλες είναι επίσης αδύνατο. Προσπαθούν να βρουν τη μέση λύση – να αποκτήσουν μεγαλύτερες κυψέλες με λιγότερη χρήση κόλλας».
Ο MacAndrew λέει ότι η μακροζωία της μπαταρίας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την εφαρμογή και τη φύση του τρόπου λειτουργίας των μπαταριών. «Με τις διαδικασίες βελτιστοποίησης, εξετάζουμε πολύ προσεκτικά τον σχεδιασμό της χημείας και της κυψέλης για να βεβαιωθούμε ότι επεκτείνουμε τη ζωή της μπαταρίας όσο το δυνατόν περισσότερο», αναφέρει.
Η StoreDot ολοκληρώνει τουλάχιστον 1.000 διαδοχικούς κύκλους γρήγορης φόρτισης, λέει ο Myersdorf, κάτι που είναι σημαντικό για τη δεύτερη ζωή: «Όσο περισσότερους κύκλους έχετε, τόσο πιο βιώσιμη είναι η μπαταρία». Η Abbott πιστεύει ότι νομικά προβλήματα που σχετίζονται με τη δεύτερη χρήση είναι ένας λόγος για τον οποίο οι μπαταρίες δεν επαναχρησιμοποιούνται πολύ. Ούτε ο σχεδιασμός ορισμένων μπαταριών μπορεί να αποσυναρμολογηθεί πολύ εύκολα. «Θέλεις κάτι που είναι εύκολο να χωρίσεις», λέει. Ο MacAndrew πιστεύει ότι η χρήση δεύτερης ζωής σχεδιάζεται τώρα σε νέα πακέτα μπαταριών: «Προσπαθήσαμε να διασφαλίσουμε ότι έχουμε μια αρθρωτή προσέγγιση στον τρόπο με τον οποίο τοποθετούμε κυψέλες σε εγκαταστάσεις, όπου μπορούν να εξαχθούν εκείνες οι μονάδες που έχουν δυνατότητα εξυπηρέτησης. δεν έχει εγκατασταθεί και δεν πρόκειται να αφαιρεθεί ποτέ ξανά».
«Σχεδιάζουμε για τη δεύτερη ζωή της μπαταρίας», λέει ο Myersdorf. «Οι περισσότερες τεχνολογίες μπαταριών θα συνεχίσουν να πέφτουν γρήγορα και δεν ταιριάζουν καν στη δεύτερη ζωή. Μπορούμε να σχεδιάσουμε τον κύκλο της μπαταρίας, ώστε ακόμα και μετά το 80% να συνεχίσει να έχει καλή απόδοση, μέχρι να φτάσει στο 60 ή 70%».
Η ιχνηλασιμότητα στην αλυσίδα εφοδιασμού είναι επίσης σημαντική για τη δημιουργία πιο βιώσιμης τεχνολογίας μπαταριών. «Έχουμε εφαρμόσει ένα σύστημα που διατηρεί την κυκλική οικονομία από την πρώτη ύλη μέχρι την ανακύκλωσή της και συνεργαζόμαστε με οργανισμούς που παρέχουν αυτά τα δεδομένα», λέει ο Myersdorf.
«Τα δεδομένα είναι πολύ σημαντικά, επομένως γνωρίζουμε ότι αυτά τα υλικά δεν απορρίπτονται σε χώρους υγειονομικής ταφής και χρησιμοποιούνται πρώτα για δεύτερη ζωή και μετά ανακυκλώνονται σωστά». H Simonsson επιβεβαιώνει ότι τα κοινά ζητήματα βιωσιμότητας υλικών είναι βασικά.
«Συνεργαζόμαστε στενά με τους προμηθευτές μπαταριών μας για τα κοινά μας θέματα βιωσιμότητας υλικών – κλίμα, κυκλικότητα, ιχνηλασιμότητα και υπεύθυνη προμήθεια. Έχουμε μια μοναδική συνεργασία με τους προμηθευτές μπαταριών μας σε αξιολογήσεις κύκλου ζωής [LCAs], δίνοντάς μας τη δυνατότητα να δημιουργήσουμε μια κοινή άποψη και ένα σχέδιο δράσης για τις πηγές κλιματικών εκπομπών που προέρχονται από την παραγωγή μπαταριών», λέει.
Για να σχεδιάσουμε πιο βιώσιμα πακέτα μπαταριών, ο MacAndrew πιστεύει ότι η πλήρης αλυσίδα αξίας, ολόκληρος ο κύκλος και η κυκλική οικονομία που σχετίζεται με τις μπαταρίες πρέπει να εξεταστούν ολιστικά: «Στις διαδικασίες μας, αυτό περιλαμβάνει την ανάκτηση υλικών από τα σκραπ μπαταριών μας – διαδικασίες παραγωγής εγγενώς παράγουμε σκραπ – και αναμένουμε ότι η ανακύκλωσή μας θα είναι υπό τον έλεγχό μας όσο μπορεί. Αυτό μας δίνει τελικά μια πολύ στενή σύνδεση με τη χρήση υλικών που προέρχεται από τις διεργασίες μας, αλλάζοντας επίσης υλικά που προέρχονται από την ανακύκλωση μπαταριών στο τέλος του κύκλου ζωής τους». Ο Abbott λέει, «Ψάχνουμε τρόπους για να ανακυκλώνουμε υλικά βραχυκυκλώματος, ειδικά να ανακυκλώνουμε υλικά για να αποκτήσουμε μεγαλύτερη αξία σε αυτά. Καταλήξαμε σε μια διαδικασία που τώρα δοκιμάζουμε με έναν OEM, χρησιμοποιώντας υπερήχους για την αποκόλληση των απορριμμάτων παραγωγής».
Κυκλική προσέγγιση
«Θέλουμε επίσης να διασφαλίσουμε ότι η ανάκτηση υλικών μειώνει τη ζήτηση για εξόρυξη όσο το δυνατόν περισσότερο», δηλώνει ο MacAndrew. «Βλέπουμε ένα σημαντικό δευτερεύον πλεονέκτημα της κατανόησης του τρόπου με τον οποίο μπορούμε να κλείσουμε οικονομικά τον βρόχο και να έχουμε υλικά που βγαίνουν και επιστρέφουν στις μπαταρίες, αντί να πηγαίνουν σε άλλες χρήσεις ή σε χώρους υγειονομικής ταφής. Έχουμε στο μυαλό μας μια κυκλική προσέγγιση όταν εξετάζουμε πώς ορίζουμε το προϊόν μας». H InoBat αφαιρεί τις μπαταρίες στο τέλος του κύκλου ζωής τους από την αγορά, αντικαθιστώντας τις με ανακυκλωμένες μπαταρίες. Η τεχνολογία που χρησιμοποιεί η εταιρεία, μετατρέπει το σκραπ από άχρηστες μπαταρίες, που προέρχονται από παλιά ηλεκτρικά οχήματα και γιγα-εργοστάσια, σε κυψέλες με χαμηλότερη τιμή CO2.
Ο Myersdorf πιστεύει ότι με την αύξηση της ζήτησης για ηλεκτρικά οχήματα και συνεπώς μπαταρίες, οι OEM, οι τεχνικοί συνεργάτες και οι αγοραστές οχημάτων αρχίζουν να συνειδητοποιούν τη σημασία της βιωσιμότητας και της ανακύκλωσης των μπαταριών. «Ένας από τους επενδυτές εταίρους μας, η Polestar, βάζει τα «πράσινα» και τα ανακυκλωμένα υλικά στην κορυφή των παραμέτρων σχεδιασμού των μπαταριών της», λέει. «Σχεδιάζουμε επίσης αυτά τα οχήματα για τη Generation Z, που νοιάζεται για το περιβάλλον. Αυτή είναι μια κρίσιμη παράμετρος όταν αγοράζουν ένα όχημα – εάν τα εξαρτήματα σε αυτό το όχημα είναι ευθυγραμμισμένα με τον τρόπο ζωής και τις αξίες τους σχετικά με τον πλανήτη και τη βιωσιμότητα».
Οι μελλοντικές χημείες μπαταριών και οι αναδυόμενες τεχνολογίες μπορεί να αλλάξουν, αλλά μεσοπρόθεσμα έως μακροπρόθεσμα, ο MacAndrew πιστεύει ότι το NMC θα εξακολουθεί να είναι το βασικό υπόβαθρο της κινητικότητας: «Έχει την ικανότητα να παρέχει ισχύ και βαρυμετρική χωρητικότητα που καθιστά δύσκολο τον ανταγωνισμό». Άλλες τεχνολογίες – συμπεριλαμβανομένης της στερεάς κατάστασης – θα παίξουν επίσης ρόλο: «Υπάρχουν και άλλες χημικές ουσίες στις οποίες εργαζόμαστε για να διασφαλίσουμε ότι μπορούν επίσης να επωφεληθούν από τη διαδικασία ανάπτυξής μας. Οι χημικές ουσίες φωσφορικού σιδήρου λιθίου [LiFePO4], μαγγανίου λιθίου φωσφορικού σιδήρου [LMFP] και οξειδίου του λιθίου [LTO] έχουν ένα φυσικό πλεονέκτημα ότι μπορούν να βελτιστοποιηθούν με τον τρόπο που σχεδιάζουμε τα κύτταρα και τις χημικές μας ουσίες για τις ανάγκες των πελατών μας». Η πίεση για επαναχρησιμοποίηση και ανακύκλωση υλικών θα αυξηθεί μόνο καθώς επιταχύνεται η προσπάθεια για βιώσιμη ηλεκτροδότηση.
Premium συγκολλητικά υλικά
Ένα από τα πιο πιεστικά ζητήματα για την αποσυναρμολόγηση της μπαταρίας είναι η χρήση συγκολλητικών υλικών. «Αν κοιτάξετε τη διάλυση ορισμένων αυτοκινήτων, ακόμη και της Tesla, είναι πολύ, πολύ δύσκολο να φτάσετε στην ίδια την μπαταρία λόγω της εποξειδικής και της κόλλας που έχουν τοποθετηθεί μέσα», λέει ο Dr Doron Myersdorf της StoreDot. Αυτές οι κόλλες καθιστούν δύσκολη την αποσυναρμολόγηση μέχρι το επίπεδο κυψέλης. «Οι αποσυνδεόμενες κόλλες είναι ένα καυτό νέο θέμα», λέει ο Andrew Abbott του Πανεπιστημίου του Leicester. «Έχουμε κάνει κάποια δουλειά προσπαθώντας να φτιάξουμε εποξειδικά που διαχωρίζονται κατά απαίτηση. Βάζεις έναν διακόπτη που σου επιτρέπει να δημιουργήσεις ένα ερέθισμα, είτε θερμικό, είτε ελαφρύ, μαγνητικό ή οτιδήποτε άλλο, το οποίο σου επιτρέπει να κάνεις την κόλλα να ξεκολλήσει από μόνη της».
Η χρήση μικρών κυλινδρικών κυψελών 18650 σε παλαιότερες εφαρμογές δεν βοηθά τα πράγματα, καθώς πρέπει να κολληθούν μεταξύ τους για να ταιριάζουν με την ενεργειακή πυκνότητα μεγαλύτερων πρισματικών κυψελών. “Συνολικά, πρέπει να μετακινηθούμε σε μεγαλύτερες κυψέλες”, δηλώνει ο Abbott. Διεργασίες που περιλαμβάνουν δομή κτιρίου στις ράβδους διαύλου αντί μέσω της χρήσης δομικών συγκολλητικών μπορεί να βοηθήσουν. «Καθώς έρχονται νέες αρχιτεκτονικές μπαταριών, οι οποίες έχουν σχεδιαστεί για να μπορούν να αποσυναρμολογούνται αντί να τεμαχίζονται, αυτό που μπορείτε να φτάσετε είναι πιο αποτελεσματικά ανακυκλωμένα, πιο καθαρά και διαχωρισμένα υλικά», λέει. «Πρόκειται να δημοσιεύσουμε μερικές νέες εργασίες σχετικά με τρόπους με τους οποίους μπορείτε να σχεδιάσετε το κελί ώστε να χρησιμοποιεί όσο το δυνατόν λιγότερη κόλλα και να μπορεί να τραβηχτεί», συνεχίζει ο Abbott. «Υπάρχουν κινήσεις, αλλά υπάρχουν συζητήσεις με ΟΕΜ». Ο Abbott αναφέρει επίσης ότι υπάρχει ανάγκη να απομακρυνθούμε από υπερφθοριωμένα συγκολλητικά. «Αυτές οι υπερφθοριωμένες ενώσεις βρίσκουν χρήση στις μπαταρίες λόγω της σταθερότητάς τους. Ωστόσο, δημιουργούν κάθε είδους προβλήματα. Εάν μπορούσαμε να φτάσουμε σε συκολλητικά διασπειρόμενα στο νερό μέσα στις κυψέλες, αυτό θα έφερνε επανάσταση στην ανακύκλωση».
