Литий-ионные аккумуляторы, которые питают всё, от мобильных телефонов до электромобилей, являются частью повседневной жизни современного человека. Проблема в том, что со временем они изнашиваются. И это дорого обходится окружающей среде.
Литий (Li) — не новый для человечества металл, его использовали с XIX века: сначала в производстве стекла и фарфора, позднее — в металлургии и атомной энергетике. В начале XXI века спрос на литий резко вырос — в первую очередь из-за развития гаджетов и электротранспорта. Для производства одной батареи для электромобиля Tesla Model S, например, требуется 63 кг лития! Начиная с 2020 года, количество литиевых аккумуляторов, производимых на заводе для оснащения электромобилей, равняется 500 тысячам.
Литиевые аккумуляторы гораздо более мощные, чем свинцовые, но и собраны они гораздо сложнее, чем последние. Каждый компонент аккумулятора содержит больше химических элементов (преимущественно металлов), чем один свинцовый аккумулятор. Литиевые аккумуляторы быстро заряжаются (время зарядки электробуса — 20 минут), не выделяя при этом вредных веществ, и обладают высокой эффективностью: используется до 95% энергии батареи. Кроме того, литий — самый легкий металл на планете, что повышает его привлекательность у производителей. По прогнозам Bloomberg, к 2030 году потребность в литиевых батареях увеличится в девять раз.
В 2019 году мировое потребление лития оценивалось в 57,7 тысяч тонн — это на 18% больше, чем годом ранее. Аналитическая компания GlobalData прогнозировала, что к 2024 году спрос на редкий металл увеличится в два с половиной раза — до 117 тысяч тонн. По данным компании Benchmark Mineral Intelligence, цитируемой The Wall Street Journal, в 2021 году цены на литий взлетели на 240%.
Быстрорастущая потребность в этом металле уже обеспечила присвоение ему неофициального титула «белое золото». По оценкам Cairn Energy Research Advisors, с 2017 по 2027 год производство лития увеличится в восемь раз. Другие эксперты заявляют, что литий и другие редкоземельные элементы скоро станут более важны, чем нефть и газ, и прогнозируют рост на спрос «белого золота» в четыре раза к 2040 году. Это значит, что добыча редкого металла затронет еще больше уголков нашей планеты.
Однако добыча лития — это трудоемкий и энергозатрантный процесс, который при этом сильно загрязняет окружающую среду. Литий входит в химическую группу щелочных металлов, которые имеют настолько высокую реакционную способность, что никогда не встречаются в природе в чистом виде, только в соединениях. Этим обусловлены особенности его добычи: большую часть лития в мире получают из богатого минералами рассола примерно в десяти метрах под высокогорными солончаками.
Наиболее эффективной (экономически выгодной) является добыча лития из рассолов озер. Чтобы получить «белое золото» XXI века, добывающим предприятиям необходимо добыть соляной раствор из земной поверхности, а затем его закачать в искусственные резервуары, так называемые испарительные бассейны под открытым небом, где этот раствор остается в течение 12-18 месяцев. За этот срок в резервуарах происходит выпаривание большинства солей, и остается жидкость, богатая хлоридом лития и хлоридом магния, которая затем отправляется на химический завод.
Большая часть мировых (разведанных) запасов лития сосредоточена в треугольнике, образуемом Аргентиной, Чили и Боливией. Запасы лития в Боливии составляют 21 млн тонн, в Аргентине — 18 млн тонн, в Чили — 9,8 млн тонн. Стоит отметить, что месторождения этого металла были обнаружены там достаточно давно, но разрабатывались без энтузиазма, поскольку потребность в литии была не слишком высокой.
Это косвенно подтверждается и такими цифрами: в 1998 году цена тонны Li на лондонской бирже составляла в пересчете на современную единую европейскую валюту всего €1670. Однако к концу 2016 года цена на этот металл «выстрелила» до €7200, к середине 2017 года котировалась в районе €8600, а за 2018 год выросла еще на 50%. Особенно заметный скачок стоимости «белого золота» произошел в Китае — из-за сложностей с логистикой, по утверждению Forbes, на рынке КНР цена тонны лития уже колеблется возле уровня в $20 тысяч.
Однако методы добычи оказывают сильное воздействие на окружающую среду. Поскольку литий имеет очень низкую концентрацию в рассоле, масштабы производства, которые требуются для дальнейшего использования металла на промышленном уровне, огромны. Помимо сокращения природных запасов многих металлов, сокращается и природная пресная вода — драгоценный ресурс для многих стран и народов — 95% её выпаривается в процессе добычи лития. С помощью растворителей проводится процесс фильтрации для получения твердого карбоната лития. Его промывают и сушат, чтобы добыть металл должного качества. Чтобы получить одну тонну конечного продукта, требуется до двух миллионов литров воды.
Эксперты отмечают, что сырой рассол, образующийся при разработке литиевых рудников в соленых озерах, может изменять физико-химические свойства почвы, приводя к ее засолению. Крупномасштабная добыча соленых озер также усугубит эрозию почвы и воды в этом районе и даже изменит первоначальный рельеф и разрушит местную ландшафтную среду. После такого «иссушения» остаются сухие кратеры с осадком, на которых ничего не может произрастать, и пустыни становятся ещё более сухими, чем были. Из-за нехватки влаги территории лишаются пастбищной травы, а это создает угрозу существованию фермерских хозяйств.
Еще одна серьезная проблема — химические стоки, загрязняющие реки и водоемы. Добыча лития негативно сказывается на состоянии воды. В Боливии, Чили и Аргентине она уже нанесла вред экосистеме этих мест, особенно пустыне Атакама, расположенной на севере Чили. В чилийском Салар-де-Атакама горнодобывающая промышленность потребляет до 65% воды региона.
Так, в 2016 году в Тяньгуне (КНР) в реке рядом с литиевыми рудниками всплыли тысячи мертвых рыб. По берегам находили туши коров и яков, напившихся воды, отравленной отходами производства лития компанией Ganzizhou Rongda. Это был третий подобный инцидент за семь лет в регионе. После второго случая в 2013 году власти закрывали шахту. Экологическую ситуацию в течение некоторого времени вроде бы нормализовали, хранилища отходов расширили, укрепили и усилили. Но когда добыча снова открылась в апреле 2016 года, рыба опять начала умирать.
Кроме прочего изготовление литиевых батарей еще и очень энергозатратно. По данным специалистов из шведского института IVL, в процессе производства только 1 кВт⋅ч мощности батареи в атмосферу выделяется порядка 150–200 кг CO2. Таким образом, электромобиль, в котором установлена батарея на 100 кВт⋅ч, еще не проехав ни одного километра, уже загрязнил атмосферу 17 тоннами углекислого газа. Среднестатистическое транспортное средство с двигателем внутреннего сгорания способно произвести столько же диоксида углерода не менее чем за 100 тысяч км пробега.
Важно отметить, что уже через восемь лет более десяти миллионов тонн произведенных аккумуляторов потеряют свои потребительские свойства, тем самым попадут в разряд «отходы».
Очень привлекательным с экологической точки зрения подходом к переработке литий-ионных батарей является преимущественно механическая переработка аккумуляторов путем дробления, классификации и сортировки, а также выпаривания летучих компонентов электролита. Результатом рециклинга аккумуляторов являются порошок меди, соли кобальта, карбонат лития и сульфат алюминия.
Все продукты переработки идентичны рудным аналогам, поэтому сфера их применения широка: от цветной металлургии до производства собственно аккумуляторов. Если учитывать, что в России всё литиевое сырьё импортируется, то использование высококачественных материалов, полученных в результате рециклинга, не только уменьшает антропогенную нагрузку на природу, но и позволяет сэкономить на транспортировке и таможенных услугах.
Со слов экспертов, вопросы переработки батарей должны учитываться на стадии проектирования продукта. Это позволит создать жизнеспособную масштабируемую схему утилизации, соответствующую принципам круговой экономики.
Москва
