Technologický pokrok v úložných systémech v současnosti podnítil jejich použití v různých aplikacích. Zařízení se prosadila díky svému zvýšenému výkonu a účinnosti spolu s nedávnou celosvětovou výzvou ke snížení dopadů na životní prostředí způsobených výrobou energie nebo spalováním vozidel. Bylo vyvinuto mnoho technologií, které umožňují tato zařízení znovu použít nebo recyklovat. V tomto smyslu bylo používání lithium-iontových baterií, zejména v elektrických vozidlech, ústředním tématem vyšetřování. Nevýhodou tohoto procesu je však vyhazování použitých baterií. Tato práce poskytuje krátký přehled technik používaných pro baterie elektrických vozidel druhé životnosti a představuje aktuální umístění pole, kroky zahrnuté v procesu opětovného použití a diskuzi o důležitých referencích. Na závěr jsou ukázány některé směry a perspektivy oboru.
1. Úvod
V současnosti je jedním z hlavních problémů moderní společnosti související se změnou klimatu a s tím, jak tuto situaci zvrátit. Hlavním problémem při snižování změny klimatu je schopnost dosáhnout uhlíkové neutrality, přičemž emise jsou dostatečně nízké, aby je přírodní systém bezpečně absorboval [1,2,3]. Rostoucí požadavky na dekarbonizaci dopravního sektoru vedly k poptávce po elektrických vozidlech (EV) [4]. V posledním desetiletí se elektrická vozidla vyvíjela velmi rychle a brzy nahradí konvenční vozidla [5].
Lithium-iontové baterie (LIB) jsou hlavní technologií pro ukládání energie pro tato vozidla díky jejich vysoké gravimetrické a objemové hustotě energie, dlouhé životnosti, nízké údržbě, vysokému výkonu, nízkému samovybíjení a nedostatku paměťového efektu [6,7] ,4]. Díky těmto vlastnostem jsou preferovaným zdrojem energie pro EV a jsou nejdůležitějším energetickým komponentem v EV, ale také nejdražší, stojí téměř polovinu nákladů na vozidlo. V nadcházejících desetiletích se očekává, že poptávka po EV dále poroste; předpokládá se tedy, že výroba na trhu s lithium-ionty poroste exponenciálně [XNUMX].
Podle Harama et al. [8], v automobilových aplikacích nemají lithium-iontové baterie optimální provozní podmínky; typicky vydrží více než 1000 cyklů nabití/vybití po dobu 5 až 8 let a také podléhají širokému teplotnímu rozsahu mezi 20 °C a 70 °C, vysoké hloubce vybití (DOD) a vysokým rychlostem nabíjení a vybíjení.
Většina výrobců elektrických/hybridních vozidel navrhuje výměnu baterií, když jejich kapacita obvykle dosáhne 70 % až 80 %, protože to pro vozidlo představuje značnou ztrátu dojezdu. Když baterie elektrického vozidla přestane být schopna pokrýt předepsanou poptávku, je baterie z vozidla vyjmuta, což znamená konec jeho automobilové životnosti. Vzhledem k tomuto scénáři vyniká koncept využití velkého množství baterií, které by byly vyřazeny pro druhý život. Označení používané pro tyto baterie je baterie druhé životnosti (SLB) a EV jsou v současné době považovány za jejich primární zdroj [9]. Proto, i když poskytuje zajímavý pohled na prodlužování životnosti baterií v EV, je nutný rozsáhlejší výzkum, aby se zjistilo, kdy tyto baterie vyřadit a jak je lze použít v nové aplikaci, aplikaci druhé životnosti. Jakmile první generace EV odejde, tyto baterie nyní vstoupí na scénu, aby sjednotily stávající baterie generované z elektronických zařízení, což je příhodný okamžik pro výzkum v této oblasti, pro kterou je třeba prozkoumat rozsáhlé pole.
Obrázek 1 znázorňuje životnost baterií. Ve fázi 1 bateriové aplikace je uvedena konstrukce baterií a modularizace (balení) pro různé aplikace. Zejména pro použití v automobilech jsou baterie obvykle složeny ze stovek menších modulů pro zvýšení napětí a proudu konečného bloku. Fáze 2 ukazuje dobu používání baterie v prvním cyklu, který má životnost 8–12 let. Nepřetržité monitorování baterií (jednotlivých modulů) umožňuje sledování „zdraví“ baterie a pomáhá určit nejvhodnější dobu pro její recyklaci. Když je baterie vyjmuta za účelem recyklace (fáze 3), jsou jednotlivé moduly vyhodnoceny a baterie jsou přeskupeny. Životnost baterií druhé životnosti se pohybuje od 6 do 30 let [10] v závislosti na aplikaci (příklad ve fázi 4), přičemž hlavními z nich jsou: Stacionární aplikace v síti a mimo síť, mobilní aplikace (ty, které podporují nabíjecí stanice pro elektromobily ) a malá elektronická zařízení. V této fázi je také důležité sledování baterií pro sledování jejich stárnutí. Na konci této fáze, kdy baterie již nemohou nabídnout dostatečnou autonomii, je třeba baterie demontovat a dát jim odpovídající konečné místo určení. Všechny procesy likvidace musí být nějakým způsobem sledovány osobami odpovědnými za správnou likvidaci odpadu.
S ohledem na monitorování kapacity baterie ukazuje obrázek 2 rozsah životnosti baterie jako funkci kapacity baterie. Když baterie elektromobilů dosáhnou zhruba 70 % až 80 % své kapacity, má se za to, že jejich aplikace v elektrické mobilitě je u konce, čímž končí jejich první životnost. Druhá životnost baterií začíná, když mají kapacitu mezi 80 % až 70 % a 30 %, přičemž je možné je použít v několika stacionárních aplikacích. Jakmile jejich kapacita dosáhne 30 % nebo méně, měly by být baterie odeslány k recyklaci.
Proto je při vývoji metodologií pro proces demontáže bateriového bloku, stejně jako v metodikách pro klasifikaci baterií druhé životnosti, povinné vybrat, které baterie druhé životnosti lze nasměrovat pro konkrétní aplikaci. Kromě toho je nutné sledovat tyto baterie v aplikacích druhé životnosti prostřednictvím připojení, protože za konečné vyřazení těchto baterií bude odpovědný výrobce originálního vybavení automobilů (OEM).
Vzhledem k výše uvedené diskusi si proto tato studie klade za cíl poskytnout přehled dostupných systematických přehledových článků nalezených v literatuře o bibliometrické analýze a metodologii PRISMA (preferované položky systematických přehledů a metaanalýz) [11] s pomocí Software VOSviewer (Leiden, Nizozemsko), který má v úmyslu upozornit na nejdůležitější body podle perspektiv opětovného použití automobilových baterií a diskutovat o nejdůležitějších konceptech týkajících se tohoto tématu.
2. Baterie druhé životnosti: Proces recyklace a opětovného použití
Likvidace baterií mobilních telefonů a notebooků vyvolala obavy z možného druhého použití, pokud recyklační zdroje nestačí. Přestože recyklace olověných (Pb-kyselinových) baterií je poměrně dobře známá, v současnosti recyklace pro převážně lithium-iontovou (Li-ion) technologii nikoliv. Z ekonomického a ekologického hlediska by bylo plýtváním nevyužít potenciální energii baterií druhé životnosti jejich prostou likvidací na skládce. Počet člověkohodin a investovaných finančních prostředků by nebyl plně využit. Náklady na chemické složky, které tvoří lithium-iontové baterie, nejsou levné a v posledních letech od nárůstu objednávek výrazně vzrostly [12]. Příkladem je lithium kobaltový oxid (LCO), který je jednou z nejvýznamnějších a nejrozšířenějších katod v bateriích v elektronických zařízeních a EV. Co je však méně hojným minerálním produktem (0.0023 % v zemské kůře) a je obtížné jej těžit. Problémy geopolitické nestability v Africe navíc znesnadňují těžbu v regionu, kde se produkt vyskytuje nejvíce. Všechny tyto faktory vedly ke zvýšení ceny Co z 26,500 2016 USD za tunu v září 94,250 na 2018 13,14 USD za tunu v březnu XNUMX [XNUMX].
Používání těchto baterií po jejich prvním použití je ekonomicky nehospodárné, a to výrazně, když druhý život může mít pro jejich použití značnou hodnotu. Slattery a kol. [15] provedli komplexní šetření s cílem identifikovat hodnotný materiál vyrobený z použitých baterií EV, které se nakonec mohou stát odpadem. Tento výzkum zjistil, že 3.4 milionu kg lithium-iontových bateriových článků z elektromobilů by se mohlo do roku 2040 dostat do toku zbytkové likvidace. Tyto bateriové články by obsahovaly materiály s nulovou recyklovanou hodnotou (jako je grafit) a některé další, které vyžadují velké množství energie z jejich přirozené zdroje, jako je lithium, nikl, hliník a kobalt.
Přímá recyklace po prvním životě také představuje problém, že je neproveditelná kvůli složitosti procesu a regeneraci malého množství materiálu za vyšší náklady než nový materiál. Podle Kautze et al. [16], Li-ion baterie obsahují pouze 2–7 % lithia ve své celkové hmotnosti. Získání takového materiálu recyklací je však pětkrát dražší než jeho získávání z přírodních zdrojů. Jediným materiálem, který stojí za recyklaci, je kobalt, ale probíhají nové výzkumy s cílem vyvinout technologie baterií, které omezují nebo zcela vynechávají použití tohoto materiálu pro stabilnější a levnější látky. Cílem je vyvinout bezkobaltové baterie [16].
Proto může druhý život pomoci s lepším využitím ekonomických zdrojů a snížit znečištění způsobené materiály, které nejsou po recyklaci užitečné [15]. Vzhledem k tomu, že se použité baterie denně masivně vyrábí, je nyní řádné vyšetřování jejich sekundárního použití kritičtější než kdy jindy a je prvořadé pro splnění cílů udržitelného rozvoje Organizace spojených národů (SDG).
V Evropě několik výrobců vozidel, zejména průkopnické společnosti na trhu s elektrickými vozidly, zavedlo alternativy k používání baterií druhé životnosti v různých systémech skladování energie, od malých obytných systémů po kontejnerová řešení v distribučních systémech [17]. Většina z těchto projektů zatím není komerční, což naznačuje, že výzkumná oblast je teprve na začátku. Kalifornská univerzita (Davis) ve svém „Projektu RMI Winery Microgrid“ použila systém ukládání energie z druhé životnosti (ESS) využívající elektromobily Nissan Leaf. Výzkumné projekty baterií druhé životnosti byly také prováděny na Rochester Institute of Technology a University of California (San Diego) [18].
Projekty výzkumu a vývoje (VaV) realizovaly i průmyslové subjekty. Tyto snahy zahrnují spolupráci mezi BMW, Vattenfall a Bosch, které postavily 2 MW, 2800 kWh záložní bateriový systém pro ukládání energie (BESS) v německém Hamburku na podporu elektrické sítě. Baterie byly shromážděny z více než stovky vozidel [12].
Proces re-výroby baterií pro elektromobily však představuje neodmyslitelné výzvy. Každý výrobce bateriových článků používá jiný typ článků, což vyžaduje jedinečný druh modulu. Tyto moduly jsou recipročně jedinečné z hlediska připojení [19]. Proto, i když ignorujeme různé chemické složení článků, proces, který následuje po demontáži použitých baterií, je zcela libovolný. K překonání tohoto problému byla použita procedurální metodologie, jako je vývojový diagram navržený Dalalou et al. [20], musí být zaměstnán. Prvním krokem je rozebrat autopack, abyste získali baterie. V tomto případě se baterie skládají z několika samostatných článků. Vzhledem k tomu, že různí výrobci používají různé typy článků s různým balením, lze demontované komponenty kategorizovat, aby se usnadnil výběr komponent pro danou aplikaci [21].
Demontáž balení začíná průzkumem dostupné literatury výrobce/montéra, aby se analyzovala předchozí rizika a objevila se nezbytná infrastruktura/vybavení. Dále je třeba přistoupit k přípravě pracoviště, signalizaci a vymezení prostoru demontáže. Během celého procesu demontáže (od otevření vozu až po odpojení a konečné oddělení modulů) je nutné používat osobní ochranné prostředky pro elektřinu a přijmout bezpečnostní postupy, aby se zabránilo nebo zmírnilo riziko nehod.
Vzhledem k tomu, že balení je již mimo vozidlo, demontáž až do získání článků sestává z následujících kroků:
