Jak naukowcy robią nowoczesną technologię z recyklingu.
Co wspólnego mają pilot do telewizora, dziecięca zabawka i magazyny energii przyszłości? Odpowiedź kryje się w niepozornej baterii alkalicznej. Każdego roku miliony zużytych „paluszków” trafiają do odpadów, mimo że zawierają cenne surowce, które można odzyskać i wykorzystać ponownie.
Naukowcy z Łukasiewicz – Krakowskiego Instytutu Technologicznego
oraz litewskiego FTMC pracują nad rozwiązaniem, które pozwoli nie tylko skutecznie poddawać recyklingowi zużyte baterie, ale także przekształcać je w materiały do budowy nowoczesnych i bezpiecznych magazynów energii.
Baterie alkaliczne – wygoda, która ma swoją cenę
Z każdej strony otaczają nas urządzenia elektroniczne: od pilotów telewizyjnych, przez bezprzewodowe myszki, aż po dziecięce zabawki.
Większość z nich zasilana jest jednorazowymi bateriami alkalicznymi, potocznie nazywanymi „paluszkami” (głównie typu AA oraz AAA). Choć są one niezwykle wygodne, ich masowe użycie generuje ogromny problem ekologiczny.
Niestety, ta konsumencka wygoda przyczyniła się do powstania znacznej ilości niebezpiecznych odpadów, co stanowi poważny problem dla środowiska. Mimo rosnącej świadomości ekologicznej, w Unii Europejskiej udaje się zebrać i poddać recyklingowi niespełna 50% baterii*. Reszta niestety często ląduje w zwykłych śmietnikach, stanowiąc poważne zagrożenie dla środowiska z powodu zawartych w nich metali ciężkich i chemikaliów.
Co kryje się we wnętrzu „paluszka”?
Aby jednak zrozumieć, dlaczego te niewielkie „paluszki” stanowią tak duże wyzwanie dla środowiska- a zarazem cenny surowiec do odzysku- warto dowiedzieć się, co kryje się pod ich metalową obudową, Przyjrzyjmy się bliżej budowie typowej baterii AA i sprawdźmy, z jakich elementów się składa.
Tak zaprojektowana bateria alkaiczna to w gruncie rzeczy bogate, choć dość mocno rozproszone źródło cennych pierwiastków- przede wszystkim cynku i manganu. Istnieją już komercyjne metody recyklingu tych metali z baterii alkaicznych, jednak dostępne na rynku rozwiązania wiążą się z pewnymi ograniczeniami technologicznymi i energetycznymi. Procesy pirometalurgiczne są wysoce energochłonne, generują wysoką emisję CO2 oraz utrudniają precyzyjną kontrolę składu chemicznego podczas prowadzenia procesu. Pod tym względem metody hydrometalurgiczne wydają się znacznie korzystniejszą alternatywą, gdyż pozwalają na prowadzenie procesu w roztworach wodnych w niższych temperaturach. Dodatkowo parametry procesowe ługowania oraz elektrolizy są łatwe do kontrolowania, co stwarza doskonałe możliwości ich pełnej automatyzacji.
Obecnie opracowane metody recyklingu baterii alkaicznych na drodze hydrometalurgicznej skupiają się wyłącznie na odzyskiwaniu cynku i manganu jako osobnych komponentów. Wymaga to prowadzenia skompilowanego wieloetapowego wydzielania oraz osobnego oczyszczania każdego z tych metali, co znacząco obniża efektywność ekonomiczną całego procesu. Dotychczasowe metody recyklingu pomijały możliwość bezpośredniego otrzymania gotowych struktur tlenkowych
Zn-Mn-O z roztworu po ługowaniu.
SusEReMat – drugie życie zużytych baterii
W odpowiedzi na potrzebę stworzenia prostej i ekologicznej metody recyklingu baterii alkaicznych oraz syntezy materiału katodowego na bazie struktur tlenkowych ZnxMn3-xO4, wpisuje się projekt badawczy Sustainable Electrochemical Recovery of Zn-Mn-O Materials from Spent Alkaline Nonrechargeable (SusEReMat) 2024/52/L/ST11/00152. Badania te są finansowane przez NCN (Narodowe Centrum Nauki) w ramach polsko-litewskiego konkursu DAINA, projekt jest realizowany przez Sieć Badawcza Łukasiewicz – Krakowski Instytut Technologiczny razem
z Instytutem Badawczym Centrum Nauk i Technologii Fizycznych (FTMC) z Wilna.
Głównym celem projektu jest opracowanie nowatorskiego podejścia opartego na osadzaniu elektrolitycznym w celu wytworzenia materiałów o strukturze ZnxMn3-xO4, bezpośrednio z „masy czarnej” pochodzącej ze zużytych baterii alkalicznych Zn-MnO2. Masa ta zawiera częściowo utlenione fazy aktywne elektrod Zn-ZnO i zredukowane MnO2 + MnOOH oraz wypełniacz węglowy, co czyni ją idealnym prekursorem
do syntezy takich struktur.
Elektroliza zamiast pieców hutniczych
Kluczem do sukcesu jest metoda katodowej elektrosyntezy.
Brzmi skomplikowanie? W praktyce przypomina to kontrolowane osadzanie powłoki na elektrodzie pod wpływem prądu z roztworów wodnych w niskiej temperaturze. Wykorzystując prąd, naukowcy zmusza jony cynku i manganu do układania się w pożądana strukturę tlenkową. Proces ten jest niezwykle precyzyjny, wydajny, łatwy do przeniesienia na skalę przemysłową i- co najważniejsze- pochłania drastycznie mniej energii niż procesy pirometalurgiczne.
Katoda jako magazyn cynku – przełomowa koncepcja
Otrzymane w ten sposób materiały mają stać się katodami w nowoczesnych, bezpiecznych dla środowiska wodnych ogniwach cynkowo-jonowych (AZIB eng. aqueous zinc-ion batteries). Chodź te akumulatory są świetna alternatywą dla baterii litowo-jonowych, mają jedna poważną wadę: aby działać stabilnie, wymagają stosowania ogromnego nadmiaru metalicznego cynku po stronie anody. To niepotrzebnie zwiększa ich masę, koszty oraz ogranicza pojemność.
Naukowcy z Łukasiewicz – KIT oraz FTMC wpadli na rewolucyjne rozwiązanie. Postawili hipotezę: a gdyby tak zamknąć zapasowy cynk bezpośrednio w strukturze katody? Odzyskany ze starych baterii materiał katodowy działa jak wewnętrzny rezerwuar. Podczas pracy ogniwa uwalnia on jony cynku i na bieżąco uzupełnia straty.
Akumulatory bez anody – kierunek przyszłości
Jeśli pojemność nowej katody okaże się wystarczająco wysoka, metaliczny cynk na anodzie stanie się całkowicie zbędny. Taka konstrukcja (tzw. anodeless) to obecnie jeden z najgorętszych trendów w światowej nauce. Pozwala ona na:
- Zwiększenie gęstości energii akumulatora nawet o 30% (czyli lżejsza bateria zmagazynuje więcej prądu),
- Produkować i transportować baterie w stanie całkowitego rozładowania, co eliminuje ryzyko samozapłonu i rewolucjonizuje bezpieczeństwo w logistyce.
Dzięki temu projektowi zużyta bateria alkaiczna nie trafi na wysypisko, ale dostarczy idealnie dopasowanych komponentów do stworzenia bezpieczniejszych, tańszych i bardziej pojemnych magazynów energii przyszłości.
O autorach:
dr inż. Jędrzej Piątek – absolwent Wydziału Chemicznego Politechniki Śląskiej w Gliwicach. Stopień doktora uzyskał w 2022 roku na Uniwersytecie Sztokholmskim (Stockholm University). Jego główne zainteresowania badawcze obejmują technologie akumulatorowe, magazynowanie wodoru oraz szeroko pojęte procesy elektrochemiczne. Odbył staże naukowe w Hiszpanii (Universitat Jaume I), Austrii (AC2T GmbH), Niemczech (Bergische Universität Wuppertal) oraz USA (University of Arkansas). Jest autorem kilkunastu publikacji naukowych opublikowanych w renomowanych czasopismach międzynarodowych. Indeks Hirscha (h-index): 12. Kierownik projektu Sustainable Electrochemical Recovery of Zn-Mn-O Materials from Spent Alkaline Nonrechargeable (SusEReMat).
dr inż. Karolina Chat-Wilk – badaczka specjalizująca się przede wszystkim w elektrochemii, inżynierii powierzchni oraz walce z korozją metali. Doktorat z wyróżnieniem obroniła na Akademii Górniczo Hutniczej w Krakowie, gdzie jako kierownik projektu PRELUDIUM NCN projektowała inspirowane naturą powłoki superhydrofobowe o wyjątkowych właściwościach antykorozyjnych. Autorka patentu oraz publikacji o indeksie Hirscha równym 5. Obecnie na stanowisku post-doca w projekcie SusEReMat wykorzystuje elektrochemię do ekologicznego recyklingu zużytych baterii.
(ŁKIT)
