חברות פועלות למצוא דרך להחזיר ליתיום מתאי חשמל מתים ולהחזיר אותו לכביש.
בסוף אוקטובר 2019, שריפה פרצה במתקן מיחזור בסקוטסדייל, אריזונה. השריפה כילתה אתר בשטח של 40,000 רגל רבוע, ורוחות של 60 מייל לשעה העיפו פלומת עשן עצומה על פני כביש מהיר סמוך, ואילצו גורמים מקומיים לסגור את הכביש. לכבאים נדרשו עד למחרת כדי לכבות את הלהבות. לאחר מכן נאלצה החברה שהפעילה את האתר להשעות את הגבייה בערים הסמוכות; המתחם החרוך היה מצויד לטפל ב-85,000 טונות של פסולת בשנה, ועכשיו לא היה לגרוטאה הזו לאן ללכת מלבד מזבלה.
האשם? סוללת ליתיום-יון כמו אלו שנמצאת בטלפונים ומחשבים ניידים. בעוד שהתאים היפר-יעילים הללו בטוחים בדרך כלל, הם ממשיכים לאגור אנרגיה נדיפה גם לאחר מותם, מה שאומר שסילוק לא זהיר עלול לגרום לפיצוצים ולשריפות. דו"ח משנת 2021 של הסוכנות להגנת הסביבה מצא רישומים ציבוריים של התלקחויות כאלה 28 מדינות בין 2013 ל-2020, וסימנו מתקן אחד שהיה לו יותר מתריסר ביחידה אחת שָׁנָה. הסיכון רק יגדל: ניתן לצפות ששוק הליתיום העולמי יגדל פי 20 עד 2030, על פי הערכה של חברת המחקר Rystad Energy.
העובדה שכל כך הרבה סוללות מסתיימות בערימות גרוטאות מציבה בעיה עמוקה עוד יותר עבור המעבר הרחק מדלקים מאובנים. התכולה שלהם היא מרכיב מרכזי בכלי רכב חשמליים, אבל המתכות שהם מכילים - ליתיום, קובלט וניקל - נעשות קשה יותר להשיג ולעתים קרובות מגיעות ממדינות בודדות בלבד. הפעלת הדור הבא של כלי רכב חשמליים תצריך כרייה של אלפי טונות של ליתיום וקובלט ממלח דירות ומרבצי עפרות ברחבי העולם, תהליך הרסני מבחינה אקולוגית כמוהו יָקָר.
"אנחנו צריכים לנסות למחזר כל מה שאנחנו יכולים, אבל במקרה של סוללות, זה נהיה אפילו יותר חשוב", אומר Fengqi אתה, פרופסור להנדסה באוניברסיטת קורנל שחוקר את מחזורי החיים של יסודות כמו ליתיום בתוך אנרגיה מערכות. אתה מציין שתעשיית החשמל המקומית שלנו תלויה בליתיום שנכרה ומשוכלל במדינות ברחבי העולם, מה שנותן לנו מעט שליטה מקומית על ייצור חומרים חיוניים. אם יקרה משהו לשרשרת האספקה הגלובלית, הגישה שלנו למתכות היקרות הללו מופרעת, ומעכבת את המאמצים לפנות לטכנולוגיות ירוקות.
אבל החדשות הטובות הן שהמתים יכולים לקום שוב. מתכות המפתח הכלולות בסוללות ישנות כמו זו שהציתה את השריפה בסקוטסדייל, בשלות להיגרר החוצה ולשאוב חזרה לשרשרת האספקה. עם התשתית הנכונה, נוכל לצמצם באופן דרסטי את כמות הכרייה הדרושה לאספקת מתכת לתאים חדשים - כל זאת תוך צמצום הסיכון לשריפות של אשפה.
כאשר רכבי החשמל ממריאים בארה"ב, קומץ סטארט-אפים פועלים לעשות בדיוק את זה. אחד המתקדמים ביותר, Ascend Elements, פותח מתקן ענק למחזור סוללות ג'ורג'יה בקיץ הקרוב, שם היא תשחזר ליתיום, קובלט וניקל, והמתחרות שלה לא רחוקות מֵאָחוֹר. יחד החברות הללו דוהרות להרחיב את ההיקף לפני שהדור המלא הראשון של רכבי EV יימחק. למאמצים שלהם יש פוטנציאל לסגור מעגל, וליצור מערכת שתלויה פחות בדלקים מאובנים - ובכרייה מיותרת.
בריטית-אמריקנית הכימאי מ. סטנלי וויטינגהאם התווה את המסגרת הרעיונית הראשונה לסוללת ליתיום-יון נטענת בסוף שנות ה-70, וזכה בנובל על מאמציו ב-2019. ישויות מנאס"א ועד אוניברסיטת אוקספורד פיתחו את טכנולוגיית הליבה שלו במהלך העשור הבא. אבל הרעיון הפך למסחרי רק ב-1991, אז החלה סוני להשתמש בתאים כדי לחזק את חיי מצלמות הווידאו שלה. צפיפות האנרגיה שסוללות כאלה יכולות להחזיק כמעט פי שלושה מאז, ומחיר ייצורן ירד ביותר מ-97 אחוז באותה תקופה, מכ-7,500 דולר ב-1991 לפחות מ-200 דולר. 2018.
כל הסוללות פועלות על ידי אגירת אנרגיה כימית והמרתה לחשמל. תא רגיל מכיל מתכות מוליכות שונות בשני טרמינלים: האנודה, או הצד השלילי, והקתודה, או הצד החיובי. שני רכיבים אלה מופרדים על ידי תווך כימי המכונה אלקטרוליט. כאשר אתה מפעיל מכשיר, האלקטרונים העצורים באנודה זורמים אל מחוץ לתא, דרך מעגל ולכיוון הקתודה, נמשכים למטען החיובי שלו. תנועת האלקטרונים במעגל היא מה שיוצר מיץ.
בסוללה רגילה, אין דרך להפוך את התהליך הזה. כאשר מספיק אלקטרונים עצורים עזבו את האנודה, כל העניין מת. סוללות ליתיום-יון, לעומת זאת, בעלות חיים ארוכים בהרבה הודות לאלמנט הטיטולרי שלהן, שהוא אחת המתכות הקלות והריאקטיביות ביותר בטבלה המחזורית. במצב לא טעון, חבורה של אטומי ליתיום מסתובבים בקתודה. כאשר אתה מחבר את המכשיר שלך למקור חשמל, אטומי הליתיום התגובתיים האלה ממהרים למסור את האלקטרונים שלהם, שעוברים דרך המעגל החיצוני לפני שהם מגיעים למנוחה באנודה. היתרון העיקרי הוא שאותם האלקטרונים היוצאים משאירים מאחור יוני ליתיום בעלי מטען חיובי, שהם אז נמשכים על ידי המטען השלילי של מקור הכוח דרך האלקטרוליט לעבר האנודה, שם הם הופכים לכוד. כאשר אתה מנתק את המכשיר ממקור החשמל ומפעיל אותו, התהליך מתהפך. יוני הליתיום הלא יציבים באופן טבעי נעים בחזרה דרך האלקטרוליט כדי לחזור לקתודה, בעוד האלקטרונים נעים להצטרף אליהם, ומייצרים חשמל לאורך הדרך. האלקטרונים והיונים מסתובבים כעת בקתודה עד לפעם הבאה שהסוללה נטענת.
המבנה של קתודה מתכת זו הוא המפתח לאריכות החיים של הסוללה: היא מתפקדת כלזניה אטומית של מתכות כמו ניקל וקובלט, עם שכבות דקות מספיק כדי שיוני ליתיום ואלקטרונים יילכדו ביניהן אוֹתָם. עם זאת, כשהיונים נעים קדימה ואחורה על פני הסוללה, הם מעוותים את הלזניה הזו, וגורמים לארכיטקטורה האטומית להתנפח ולהיסדק. כל מחזור טעינה גורם למספר תגובות כימיות בלתי מבוקרות אחרות שמפרקות את הסוללה לאורך זמן, בדיוק כפי שהגוף שלנו מתכלה במהלך ההזדקנות הרגיל. בדרך כלל אתה לא יכול לראות את הריקבון הזה בעין בלתי מזוינת, אבל במהלך כמה שנים, לתא הכוח קשה יותר להעביר אנרגיה. סוללת הליתיום-יון הממוצעת טובה לכמה אלפי מחזורי טעינה לפני שהיא מתחילה לקמול. (גם אז, הסוללה שומרת על טעינה, וזה מה שהופך אותן לכל כך דליקות כשהן מתעצבנות.)
הצמיחה המהירה של תעשיית ה-EV יצרה עלייה בביקוש למתכות שמאפשרות את כל זה - כולל ליתיום טיטולרי. התוצאה הייתה תנופת כרייה בחלק מהמדינות עם מרבצים משמעותיים, כמו סין, צ'ילה ואוסטרליה. הייצור העולמי שילש את עצמו מ-31,000 טון בשנה ב-2010 ל-110,000 ב-2021. אבל עם שוק EV העולמי גדל בסביבות 20 אחוז בכל שנה, הביקוש עולה מהר מדי מכדי שכל יצרן יוכל לעמוד בקצב. סוכנות האנרגיה הבינלאומית צופה שייצור ליתיום שנתי עשוי לרדת מהביקוש בכמעט 2 מיליון טון עד 2030. ולמרות שלפחות לשלוש או ארבע יבשות יש פוטנציאל לכרות את המתכת, כמעט כל בתי הזיקוק ומפעלי הסוללות נמצאים בסין, וכתוצאה מכך צוואר בקבוק קלאסי. אם הקיבולת לא תגדל, אמרה חברת המחקר Rystad Energy, מחיר החומר עשוי לשלש את עצמו עד סוף העשור.
הביקוש הגואה יוצר גם עלויות סביבתיות גבוהות יותר. חברות משתמשות בעשרות מיליארדי ליטרים של מים בשנה כדי לשאוב את המתכת מהאדמה, תוך מאמץ של משאבים במדינות מיובשות כמו צ'ילה. היו מספר דיווחים על הרג דגים ודלדול מים מתוקים או זיהום ליד מכרות ליתיום בטיבט, ארגנטינה וארצות הברית.
כל הגורמים הללו מחזקים את הטענה למיחזור. בעשורים הראשונים שלהם בשוק, סוללות ליתיום-יון לא היו יקרות מספיק כדי שמישהו יטרח לסובב השקיעו אותם בחומר חדש, אבל כמה ארגונים עדיין ניסו להרחיק אותם ממזבלות - בעיקר Call2Recycle, Inc. העמותה נוסדה וממומנת על ידי יצרני סוללות גדולים בשנות ה-90 בתקווה לצמצם את הסיכונים הסביבתיים (והאחריות המשפטית) הנשקפים ממוצריהם, ומאז הקימה תוכנית איסוף השואבת אשפה משלושה מקורות עיקריים: מרכזי תיקונים, מתקני פסולת עירוניים ורשת של 16,000 קופסאות הפונות לציבור ברחבי ארצות הברית מדינות. בשנה שעברה הוא אסף יותר מ-8 מיליון פאונד של תאים שהושלכו.
"כשהתחלנו לראשונה, הכימיה העיקרית של הסוללה הייתה ניקל קדמיום", אומר אריק פרדריקסון, מנהל התפעול של התוכנית, מתייחס לסוג של תא המשמש לעתים קרובות בכוח מגושם אך נייד כלים. כעת, הוא אומר, "ליתיום יון היא הכימיה הגדולה ביותר של סוללות שאנו אוספים."
במשך מספר שנים, הקיבולת בארה"ב למיחזור ליתיום הייתה כה נמוכה עד ש-Call2Recycle נאלצה לשלוח את השלל שלה לחו"ל. אולם כעת, יש לקוח חדש במקום, אחד שמבטיח להפוך את ההשלכות הללו למרכיבים לתאי כוח EV חדשים לגמרי.
אלמנטים עולים' מתקן מחקר ופיתוח יושב בפארק משרדים לא ברור ממש מחוץ לוורסטר, מסצ'וסטס. אם הייתם עומדים בחוץ, סביר להניח שהייתם מנחשים שכולם בפנים מבלים את ימיהם בהאזנה למחשבים. המציאות קצת יותר מבולגנת: המשרד הקדמי מוביל חזרה למחסן שבו החברה כוונון עדין את תהליך מיחזור סוללות הליתיום-יון שלה והתכוננה להגדיל אותו.
המערכת של Ascend מבוססת על ספין של החברה עצמה על תהליך הנקרא הידרומטלורגיה, הכולל המסת מתכות מרוסקות בתמיסה כימית ושטיפה חזרה למוצקים. זה שיפור בטכניקה ישנה ופחות אלגנטית המכונה פירומטלורגיה, הדורשת התכה של סוללות והפרדת הרכיבים המחוממים - יצירת גזים רעילים כמו דיוקסינים ו פוראנים.
לאחר שהגיש לי זוג משקפי בטיחות, מייסד שותף וקצין הטכנולוגיה הראשי של Ascend, אריק גרץ, מראה לי את העבודות. כשהוא צועק על יבבה מתמדת של גנרטור, הוא מכניס אותי לחלל בעל תקרה גבוהה הנשלט על ידי תריסר טנקים ומכונות מחוברים זה לזה. יש שלושה בורות פלדה שמתנשאים מעלינו, זוג ציוד באורך 10 מטרים שנראים כמו אקורדיונים, ומערכת של כמה טנקים קטנים יותר המחוברים בצינורות וצינורות.
בסך הכל, אומר גרץ, המכונות מתפקדות כמו מכונת קפה צרפתית ענקית. Ascend קונה סוללות מתות מאוספנים כמו Call2Recycle או מיצרני EV, ואז טוחן אותן במגרסה עדינה. השאריות מגיעות למתקן בווסטר כאבקה כהה - "מסה שחורה", בעגה התעשייתית - שתופסת את מקומן של פולי ג'אווה בחליטה הכימית הזו. המטרה היא להזיל את המתכת המתה, להסיר זיהומים כמו פלסטיק ומתכות לא רצויות, לשנות את המבנה הכימי שלה, ואז לעבות אותה בחזרה לאבקה כדי שתוכל להשתמש בה לייצור חדש.
ראשית גרץ מוביל אותי אל שלישיית המיכלים, שמאחוריה יושב הופר המחזיק את הסוללות המגוררות. שלב ראשון הוא להזרים את המסה השחורה לתוך המיכלים, שם היא מתמוססת בתערובת כימית קניינית, ומשחררת את המבנה האטומי של הליתיום, הניקל והקובלט שבתוכם. החלק הזה לא כל כך קשה. החוכמה היא להפוך אותו שוב לאבקה.
Ascend רוצה לייצר חומר לקתודות חדשות - הצד החיובי של הסוללה - שכן זה הכי קשה להשיג. אבל מכיוון שסוללות מרוסקות מכילות כמה מתכות שונות, שחלקן אינן שימושיות, Ascend תחילה צריך להפריד את כל מה שהיא לא צריכה. מסתובבים על קצות האצבעות סביב טכנאי מעבדה כשהם שוקקים הלוך ושוב, אנחנו מגיעים למכונות דמויות האקורדיון. אלה שואבים את הסילוף בעל המסה השחורה דרך קבוצה של לוחות סינון כדי לסנן מוצקים לא רלוונטיים - המקבילה לדחיפת הקרקע במכבש צרפתי. שברי גרפיט ונחושת נדבקים למסננים ומשאירים כתמים שחורים וירקרק-צהובים; לעלות חבילות מאוחרות יותר ומוכר אותן למחזרים מסורתיים.
השלב הבא הוא להפריד את התערובת שנותרה לשני מרכיבים מרכזיים: הליתיום ומלנג' של ניקל, קובלט ומנגן. השיטה המדויקת שבה Ascend עושה זאת היא קניינית - חלק ממה שמפריד את החברה מהמתחרות שלה - אבל Gratz מאפשר לה לנצל את הכימיה הייחודית של הליתיום. בעוד שרוב המתכות נוטות יותר להתמוסס בעת חימום, ליתיום פחות מסיס בטמפרטורות גבוהות יותר. זה אומר שהצוות יכול לבודד את המתכת הכל כך חשובה על ידי חימום התערובת. הגרגירים שהתקבלו נראים מאוד כמו המלח שהייתם שומרים בשייקר רגיל.
ואז הם מזרזים את המסה השחורה בחזרה לאבקה, תהליך קנייני נוסף, זה מתרחש בסט של מכונות שנראות כמו דרואידים מהדור הישן יותר מלחמת הכוכבים- טרפזים גדולים וקופסיים עם שרבוטים קטנים למעלה. הצוות ב-Ascend יכול להתאים את ריכוזי הניקל והקובלט בכל אצווה למפרט הקונים: סוללה עם יותר לניקל, למשל, חיי מדף קצרים יותר אבל יכול להחזיק יותר אנרגיה, מה שהופך אותו לאידיאלי עבור כלי רכב שצריכים לנסוע מאות מיילס. ברגע שמיקסר משלב מחדש את האבקה עם הליתיום המופק, המוצר הסופי נראה בדיוק כמו זה שנכנס, כפי שמעידים הצנצנות של לפני ואחרי שגרץ נותן לי. אבל המבנה המולקולרי של האבקה הממוחזרת מתחדש, מוכן לאחסן שוב יוני ליתיום היפר-תגובתיים.
התהליך יעיל להפליא: Ascend משחזרת 98 אחוז מהמתכות היקרות ביותר, ניקל וקובלט. לגבי ליתיום, אומר גרץ, הנתון הזה הוא יותר כמו 80 אחוז. האבקה השחורה שיוצאת מהמפעל ממש מוכנה לגלגול. יצרני סוללות נוהגים לרסס את החומר על נייר כסף ולגלגל או לקפל את החומר לתאי סוללה טריים.
מסובך כמו ייתכן שהפעילות של Ascend בווסטר נראה, זה רק אב טיפוס למפעל מיחזור סוללות בשטח של 154,000 רגל מרובע שייפתח ליד אטלנטה בקיץ 2022. המבצע יעמוד בקשר של בום EV בדרום מזרח ארה"ב. פולקסווגן תפתח בקרוב חטיבת רכבים חשמליים במפעל שלה בצ'טנוגה, טנסי, ו פורד בונה מפעל הרכבה ומפעלי סוללות מרובים, כולל בקנטקי ובטנסי. המתקן של Ascend לא יפעל עוד כמה חודשים, אבל יצרנים כמו SK Battery America, אשר מסייע לבעלי כוח כבדים כמו פורד ופולקסווגן, כבר החלו לשלוח משטחים של ייצור לְהַשְׁלִיך. זה נערם בטון, רק מחכה לצאת לכביש.
כשזה יפעל, מפעל אסנד בג'ורג'יה יוכל לסובב 33,000 טון של סוללות מתות ופסולת אחרת בשנה, מה שיביא מספיק מתכת ממוחזרת לניצוץ של עד 70,000 EVs. יצרני רכב יוכלו לחתום על חוזה חד-כיווני פשוט לרכישת החומר המשוחזר מ-EV מת cells, מסביר סגן נשיא לשיווק רוג'ר לין, או שהם יכולים לעשות עסקה דו כיוונית כדי לספק עודפי גרוטאות מהמפעלים שלהם ולהחזיר אותם פנימה צורה שהתחדשה. Ascend יכול גם לקחת את הסוללות המתות מיצרני רכב ואז ליצור חומר חדש לכל מי שרוצה.
מנכ"ל Ascend, מייק או'קרונלי, בטוח שסוללות ה-EV הישנות שהמפעל שלו יהיה תלוי בהן לא יסתיימו כמו כל כך הרבה טלפונים סלולריים נשכחים שמוחבאים במגירות. "סוללת EV אחת שווה לאלף מטלפונים סלולריים", הוא אומר. "הרבה יותר קל לאסוף ולהוביל למרכז מיחזור." למגרסות רכב ולמחסני גרוטאות, הוא טוען, יש תמריץ למכור אותם לחברות כמו Ascend.
למרות שאולי יש ל-Ascend את ההתחלה בהרכבת לקוחות, היא מתמודדת עם תחרות חזקה: Li-Cycle, ממחזר קנדי בונה מפעל ליד רוצ'סטר, ניו יורק, וחברת Redwood Materials, שהוקמה על ידי Tesla's CTO לשעבר. שתי החברות מגדילות את המערכות שלהן, תוך שימוש בתהליכים הידרו-מטלורגיים הדומים לאלו של Ascend.
נכון לעכשיו, לא הוצאו מספיק רכבים חשמליים כדי לספק את כמות הסוללות הדרושה כדי לענות על הביקוש למתכות משוחזרות. "אם נמחזר כל סוללה בעולם, המיחזור הרב ביותר שיכול לספק הוא אולי 20 עד 30 אחוז מהביקוש", אומר CTO של Ascend Gratz. כל עוד המספר הכולל של רכבי החשמל על הכביש ממשיך לגדול, נצטרך להמשיך ולכרות כמויות משמעותיות של ליתיום, קובלט וניקל.
עם זאת, Ascend מתבססת על רוב האוכלוסייה שבסופו של דבר נוהגת ברכבי רכב חשמליים ומחזירה את הישנים שלהם לדגמים חדשים. "אז", אומר גרץ, "אנחנו יכולים פשוט להמשיך למחזר את אותם אטומי ניקל וקובלט וליתיום שוב ושוב."
הסיפור הזה רץ במקור בגיליון המתכת של קיץ 2022 של PopSci, בתור השלישי בסדרה בת שלושה חלקים על סוללות. לקרוא חלק ראשון ו חלק שני או יותר PopSci+ סיפורים.
