Аннотация

Рост применения литий-ионных аккумуляторов в портативной электронике и электрическом транспорте сопровождается увеличением потока отработавших батарей, содержащих одновременно опасные компоненты и ценные ресурсы. Цель настоящего обзора — систематизировать основные технологические маршруты их переработки и сопоставить их по характеру получаемого продукта, требованиям к сырью, сохранению структуры электродных материалов и перспективам промышленного внедрения. Рассмотрены предварительная и механическая обработка, пирометаллургические и гидрометаллургические процессы, а также прямая регенерация электродных материалов. Показано, что предварительное разделение определяет эффективность последующих стадий, тогда как пирометаллургия сохраняет преимущества при крупномасштабной переработке, а гидрометаллургия развивает селективное извлечение компонентов. Прямая переработка ориентирована на возвращение деградировавших электродных материалов в производство и потенциально сокращает расход энергии и химических реагентов, однако требует дальнейшей разработки и точной адаптации к механизмам деградации различных материалов. Универсального оптимального маршрута не существует: выбор определяется составом сырья и компромиссом между технологическими, экологическими и экономическими критериями. Ключевой перспективой является интеграция низкоуглеродных процессов, расширение перечня перерабатываемых компонентов и согласование технологических решений с регулированием, проектированием аккумуляторов и экономикой пилотного внедрения.

Ключевые слова: литий-ионные аккумуляторы; переработка; пирометаллургия; гидрометаллургия; прямая регенерация; предварительная обработка; устойчивость; циркулярная экономика.

Актуальность и границы проблемы

Переработка отработавших литий-ионных аккумуляторов формируется на пересечении экологической безопасности, ресурсной политики и развития энергетических технологий. Расширение рынка портативной электроники и электрического транспорта сопровождается ростом объёма аккумуляторных отходов, причём в литературе этот рост описывается как логарифмический. Тем самым проблема имеет не только локальный характер, связанный с обращением с отдельными батареями, но и системное измерение: увеличение масштаба использования аккумуляторов требует заранее сформированной инфраструктуры их безопасного сбора, подготовки и переработки. [1]

Необходимость переработки определяется двойственной природой отработавших батарей. С одной стороны, они могут содержать тяжёлые металлы и токсичные органические вещества, что связывает их накопление с экологическими и санитарными рисками. С другой стороны, катодные материалы содержат ценные и дефицитные компоненты, возвращение которых в хозяйственный оборот создаёт экономический стимул для переработки. Поэтому переработка не сводится к обезвреживанию отходов: она должна одновременно снижать токсичность, предотвращать угрозы безопасности и восстанавливать ресурсный потенциал аккумуляторных материалов. [2][3]

Особое значение имеет литий, поскольку интерес к его извлечению растёт, тогда как глобальный уровень его переработки, согласно приведённым в литературе оценкам, остаётся ниже 1 %. Это расхождение между ресурсной значимостью лития и фактическим масштабом его возврата указывает на незавершённость технологического перехода и на необходимость совершенствования процессов, ориентированных не только на наиболее ценные катодные металлы, но и на комплексное восстановление состава батареи. [4]

Настоящий обзор ограничен технологическими маршрутами переработки отработавших литий-ионных аккумуляторов, их устойчивостью и условиями промышленного внедрения. В центре внимания находятся стадии предварительной обработки, извлечения компонентов и подготовки продуктов, а также различие между разрушением исходных материалов для получения отдельных компонентов и сохранением функциональной структуры электродов посредством прямой регенерации. Такой подход позволяет рассматривать переработку как элемент циркулярной аккумуляторной экономики, включающей повторное использование, перепрофилирование и собственно возврат материалов в производственный цикл. Для перехода от отдельных технологических решений к устойчивой системе необходимы согласованные действия государства, пользователей, производителей аккумуляторов и переработчиков. [2][5]

Основные понятия и технологическая рамка

Переработку отработавших литий-ионных аккумуляторов целесообразно определять как последовательность взаимосвязанных стадий, а не как единичную операцию. В общем виде маршрут включает предварительную обработку сырья, извлечение компонентов и подготовку продуктов к дальнейшему использованию. К основным направлениям относятся пирометаллургия, гидрометаллургия, механическая обработка, биометаллургия, водное выщелачивание и прямая переработка. При этом конкретная технологическая схема может сочетать несколько подходов, поскольку предварительное разделение подготавливает сырьё для последующих термических, химических или регенерационных операций. [2][1]

Принципиальная граница проходит между извлечением компонентов и прямой регенерацией электродных материалов. В первом случае исходная структура аккумулятора в значительной степени преобразуется, чтобы получить отдельные металлы или соединения. Во втором случае деградировавшие электродные материалы рассматриваются как основа для производства свежих активных материалов. Поэтому результатом прямой переработки является не только возврат химических элементов, но и стремление сохранить либо восстановить функционально значимую структуру электрода. [6]

Последовательность прямой регенерации включает предварительное разделение, точное возвращение лития и устранение дефектов отработавших электродных материалов. Её замкнутый характер определяется тем, что материал возвращается в производство в форме, близкой к исходному активному материалу, а не обязательно переводится в промежуточный раствор или расплав. Вместе с тем пригодность такого маршрута зависит от конкретного механизма деградации электрода; одна и та же стратегия не может автоматически применяться ко всем типам аккумуляторных материалов. [6][7]

Предварительная обработка выполняет не вспомогательную, а структурообразующую функцию. Она включает разрядку, разборку, удаление катодного материала и связующего, классификацию и разделение. Эти операции повышают извлечение ценных компонентов и снижают последующее энергопотребление, поскольку уменьшают неоднородность сырья и позволяют направлять отдельные фракции на более подходящие стадии. Следовательно, эффективность последующего маршрута частично определяется решениями, принятыми ещё до собственно извлечения металлов или регенерации электродов. [1]

Карта технологических направлений

Поле переработки литий-ионных аккумуляторов образуют несколько направлений, различающихся не только используемыми операциями, но и типом сохраняемой ценности. Пирометаллургия и гидрометаллургия преимущественно ориентированы на извлечение компонентов, тогда как прямая переработка стремится сохранить функциональную организацию электродного материала. Механическая и предварительная обработка связывают эти направления, поскольку обеспечивают разделение и подготовку неоднородного сырья. В совокупности они образуют не взаимоисключающие технологии, а набор потенциально комбинируемых маршрутов. [2][1]

Пирометаллургическое направление охватывает связующие вещества и электролиты, катодные и анодные материалы. Его развитие связано с возможностью переработки широкого набора компонентов и пригодностью для крупномасштабных процессов. Меньшие требования к исходному сырью и малый объём сточных жидкостей рассматриваются как факторы, поддерживающие промышленную привлекательность пирометаллургии. Вместе с тем перспективность этого подхода связывается не просто с термической обработкой, а с высокоценным использованием сырья и комплексным извлечением ресурсов. [8]

Гидрометаллургические маршруты формируют отдельную группу процессов извлечения ценных металлов. К её основным подходам относятся выщелачивание, биовыщелачивание и экстракция растворителями. В отличие от общего термического преобразования, данное направление развивает стратегии извлечения и разделения, ориентированные на получение целевых компонентов из подготовленного сырья. Поэтому его аналитическая специфика связана прежде всего с управлением стадиями растворения и последующего выделения продуктов. [3]

Механическая и предварительная обработка выполняют функцию селективной подготовки, которая определяет состав фракций и условия работы последующих стадий. Их значение выходит за рамки физического измельчения или демонтажа: разделение катодных материалов, связующего и других компонентов влияет на полноту извлечения и на энергетическую нагрузку последующего процесса. В этом смысле предварительная обработка является общей основой для пирометаллургических, гидрометаллургических и прямых маршрутов. [1]

Прямая переработка образует наиболее выраженный контраст с маршрутами, ориентированными на извлечение металлов. Её объектом выступает не только химический состав, но и состояние электродного материала после эксплуатации. Процесс предполагает предварительное разделение, возвращение лития и восстановление дефектов, а конечной целью является получение свежего активного материала. Поэтому область применения прямой регенерации связана с теми случаями, когда механизм деградации можно охарактеризовать и соотнести с конкретной стратегией восстановления. [6][7]

Методы и доказательная база

Выводы о переработке аккумуляторов в рассмотренных работах опираются на разные типы доказательств. Одну группу составляют технологические характеристики процессов: последовательность стадий, область обрабатываемых компонентов и свойства получаемых продуктов. Другую группу образуют сравнительные оценки энергозатрат, расхода химических реагентов, объёма сточных жидкостей, экологических последствий и масштабируемости. Эти группы нельзя полностью заменить друг другом: технологическая реализуемость ещё не означает оптимальности по совокупности критериев устойчивости. [2][5]

Технологические оценки подчёркивают важность предварительного разделения. Разрядка, разборка, удаление катодного материала и связующего, классификация и разделение повышают извлечение ценных компонентов и снижают последующее энергопотребление. Это позволяет рассматривать предварительную обработку как фактор, влияющий одновременно на качество сырья и на ресурсную нагрузку маршрута. Соответственно, сравнение технологий только по основной стадии — например, по термической обработке или выщелачиванию — может не учитывать вклад начальных операций в общий результат. [1]

Пирометаллургический подход оценивается преимущественно через его охват и пригодность для крупного масштаба. Литература фиксирует развитие процессов переработки основных компонентов аккумуляторов и указывает на меньшие требования к сырью и малый объём сточных жидкостей как на преимущества данного направления. Однако одновременное наличие преимуществ и недостатков означает, что его оценка должна включать не только производительность, но и полноту комплексного извлечения ресурсов. [8]

Гидрометаллургические оценки сосредоточены на выщелачивании, биовыщелачивании и экстракции растворителями. Они позволяют рассматривать переработку как последовательность операций извлечения и разделения, а не как единичное получение смешанного продукта. Вместе с тем сам факт развития стратегий выщелачивания и экстракции не устраняет необходимости сопоставлять их с требованиями к предварительной подготовке сырья и с последующими экологическими и экономическими последствиями. [3]

Для прямой переработки доказательная база включает описание последовательности регенерации, сравнение расхода реагентов и энергии, а также методы характеризации электродных материалов. Прямая регенерация может снижать расход химических реагентов и энергозатраты по сравнению с маршрутами, которые требуют значительного преобразования материалов, и способна частично обращать структурный распад электроактивных материалов. Однако этот вывод имеет потенциальный, а не универсальный характер: практическое внедрение требует дальнейших разработок, а выбор стратегии должен учитывать механизм деградации конкретного электрода. [6][7]

Сравнительная оценка устойчивости необходима потому, что разные маршруты оптимизируют разные параметры. Один процесс может быть удобен для крупномасштабной переработки и образовывать мало сточных жидкостей, другой — обеспечивать более селективное извлечение, а третий — сохранять структуру электродного материала. Поэтому экологические последствия и компромиссы между технологиями следует анализировать с помощью методологий оценки устойчивости, а не сводить сравнение к одному показателю. [5][2]

Синтез результатов и основные дискуссии

Сопоставление направлений не подтверждает существование единственного универсально лучшего маршрута переработки. Пирометаллургия привлекательна для крупномасштабных процессов и предъявляет меньшие требования к сырью, гидрометаллургия развивает селективное извлечение через выщелачивание и экстракцию растворителями, а прямая регенерация ориентируется на возвращение функциональных свойств электродных материалов. Различия между подходами отражают не только конкуренцию технологий, но и разные определения результата: извлечённый компонент и восстановленный активный материал имеют неодинаковую ресурсную ценность. [8][3][6]

Пирометаллургия имеет сильную позицию там, где приоритетом являются масштаб и способность обрабатывать совокупность компонентов, включая связующие вещества, электролиты, катодные и анодные материалы. Её промышленная привлекательность связана с меньшими требованиями к сырью и малым объёмом сточных жидкостей. Однако переход от переработки отдельных фракций к комплексному извлечению ресурсов сохраняет нерешённые проблемы, поэтому масштабируемость сама по себе не равнозначна полноте и устойчивости процесса. [8]

Гидрометаллургия представляет иной тип технологической логики: ценность маршрута определяется возможностью управлять извлечением и разделением компонентов. Выщелачивание, биовыщелачивание и экстракция растворителями формируют набор инструментов для получения ценных металлов из подготовленного сырья. Это направление особенно значимо в тех случаях, когда требуется селективность, однако его результативность связана с качеством предварительного разделения и с экологической оценкой используемой последовательности операций. [3][1]

Прямая регенерация меняет сам критерий эффективности. В ней оценивается не только количество извлечённого вещества, но и степень сохранения или восстановления структуры электроактивного материала. Потенциальное снижение расхода реагентов и энергии по сравнению с маршрутами, требующими значительного преобразования материалов, делает этот подход привлекательным с точки зрения замкнутого цикла. Вместе с тем прямое восстановление частично обращает структурный распад, а не устраняет необходимость дальнейших разработок; поэтому его преимущества следует формулировать как перспективные и зависящие от конкретного материала. [6]

Ключевым условием применимости прямой переработки является соответствие стратегии регенерации механизму деградации электрода. Сравнительные исследования рассматривают преимущества, ограничения и пригодность различных стратегий для разных аккумуляторных материалов, что исключает перенос единого решения на весь класс батарей. Практический выбор должен основываться на характеризации материала и на понимании того, какие изменения могут быть обращены, а какие требуют иного маршрута восстановления. [7][6]

Таким образом, расхождения между технологическими подходами не сводятся к простому спору о превосходстве одной операции над другой. Они обусловлены различиями в составе сырья, цели переработки, степени сохранения структуры материалов и выбранных критериях устойчивости. Системные оценки указывают, что каждый маршрут имеет собственные преимущества и проблемы, а конфликтующие цели устойчивого развития затрудняют выделение единственного оптимального варианта. Поэтому перспективной становится интеграция процессов, в которой предварительная обработка, извлечение компонентов и прямая регенерация подбираются с учётом свойств конкретного потока аккумуляторов. [2][5]

Технологическая оптимизация не может быть отделена от условий отраслевого внедрения. Устойчивая аккумуляторная экономика предполагает сочетание повторного использования, перепрофилирования и переработки, а также согласование действий государства, пользователей, производителей и переработчиков. Дополнительными факторами развития выступают проектирование аккумуляторов с учётом последующей переработки, устранение политических пробелов и финансирование пилотных проектов. В результате объектом оптимизации становится уже не отдельная установка, а связанная система движения материалов от производства и эксплуатации до возврата компонентов в новый цикл. [2][5]

Ограничения, пробелы и перспективы

Главное ограничение пирометаллургического направления связано с созданием комплексных процессов, способных одновременно учитывать преимущества и недостатки отдельных операций. Развитие переработки основных компонентов показывает технологическую зрелость направления, но не устраняет задачу полного и высокоценного использования всех ресурсных фракций. Поэтому дальнейшее совершенствование должно быть направлено не только на масштабирование, но и на более комплексное извлечение ресурсов при контроле экологических последствий. [8]

Прямая переработка сталкивается с иной группой ограничений. Для её практического внедрения необходимы дальнейшие разработки, решение выявленных проблем и использование методов характеризации, позволяющих связать наблюдаемое состояние электрода с подходящей стратегией регенерации. Лабораторная демонстрация возможности восстановить материал ещё не гарантирует устойчивого промышленного результата при изменении состава сырья и механизмов деградации. Поэтому масштабирование прямых маршрутов требует систематического контроля исходных материалов и адаптивного выбора операций. [7]

Отдельный ресурсный пробел связан с литием. Несмотря на растущий интерес к его извлечению, глобальный уровень переработки лития остаётся ниже 1 %. Эта оценка не означает отсутствия технологических решений, но показывает ограниченный фактический масштаб возврата лития и сохраняющийся разрыв между исследовательским вниманием и отраслевой практикой. Развитие технологий переработки лития поэтому остаётся приоритетным направлением, особенно в составе маршрутов, ориентированных на комплексное восстановление аккумуляторного сырья. [4]

Перспективы отрасли требуют расширения объекта переработки за пределы ценных катодных материалов. Аноды, сепараторы и электролиты также должны включаться в комплексные технологические схемы. Одновременно переход к электродам с более высокой энергоёмкостью будет менять состав будущих потоков отходов, поэтому существующие методы потребуют адаптации к новым материалам и изменяющимся характеристикам аккумуляторов. [2][3]

Наиболее обоснованное направление дальнейшего развития — интегрированные низкоуглеродные процессы, сочетающие энергоэффективность, экономическую реализуемость и комплексное обращение с компонентами аккумулятора. Их внедрение должно поддерживаться не только технологическими разработками, но и проектированием аккумуляторов с учётом переработки, устранением регуляторных пробелов и финансированием пилотных проектов. Системный характер этих задач означает, что промышленный переход определяется взаимодействием технологических решений с экономикой, регулированием и координацией участников цепочки создания стоимости. [1][5]

Заключение

Переработка отработавших литий-ионных аккумуляторов необходима одновременно для снижения рисков, связанных с токсичными компонентами, и для восстановления дефицитных ресурсов. Рост объёма аккумуляторных отходов и низкий глобальный уровень переработки лития показывают, что развитие отрасли ещё не соответствует масштабу ресурсной и экологической задачи. [1][4]

Технологическая карта поля включает предварительную обработку, пирометаллургию, гидрометаллургию и прямую регенерацию. Предварительное разделение является общей критической стадией, пирометаллургия сохраняет преимущества для крупномасштабной переработки, гидрометаллургия развивает селективное извлечение, а прямая переработка предлагает путь к сохранению функциональной структуры электродных материалов. Ни один из маршрутов не может рассматриваться вне состава сырья и цели переработки. [1][8][3][6]

Установленный результат обзора состоит в необходимости многокритериального выбора. Энергозатраты, расход реагентов, объём сточных жидкостей, селективность, сохранение структуры материалов и масштабируемость образуют взаимосвязанную систему критериев, между которыми возможны компромиссы. Поэтому дальнейший прогресс должен быть ориентирован на интегрированные низкоуглеродные процессы, охватывающие катоды, аноды, сепараторы и электролиты и адаптирующиеся к изменяющемуся составу аккумуляторов. [2][5]

Наиболее конкретный исследовательский пробел связан с переходом от технологически перспективных решений к масштабируемым системам, устойчивым к неоднородности сырья и способным обеспечивать комплексное возвращение материалов. Для прямой переработки это означает необходимость дальнейшей характеризации и согласования методов с механизмами деградации; для пирометаллургии — решение проблем комплексного извлечения; для отрасли в целом — согласование технологий с проектированием аккумуляторов, регулированием и экономикой пилотного внедрения. Именно такой системный переход связывает развитие отдельных методов с формированием циркулярной аккумуляторной экономики. [7][8][5]

Список литературы

1. Kaya, M. Современные технологии переработки литий-ионных аккумуляторов. Circular Economy, 2022. SCID: 54.1/yyuxm4mt. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2773167722000152/pdf
2. Du, K.-D., Ang, E. H., Wu, X.-L., Liu, Y. Прогресс в области устойчивых технологий переработки отработавших литий-ионных аккумуляторов. Energy & Environment Materials, 2021. SCID: 54.1/fuzbvn3j.
3. Chagnes, A., Pośpiech, B. Краткий обзор гидрометаллургических технологий переработки отработавших литий-ионных аккумуляторов. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 2013. SCID: 54.1/yrjb935g.
4. Bae, H., Kim, Y. Технологии переработки лития из отработанных литий-ионных аккумуляторов: обзор. Materials Advances, 2021. SCID: 54.1/9znh72sw. https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2021/ma/d1ma00216c
5. Zanoletti, A., Carena, E., Ferrara, C., Bontempi, E. Обзор переработки литий-ионных аккумуляторов: технологии, устойчивое развитие и нерешённые вопросы. Batteries, 2024. SCID: 54.1/kc2uhkkg. https://www.mdpi.com/2313-0105/10/1/38/pdf?version=1705894348
6. Wu, J., Zheng, M., Liu, T., Wang, Y., Liu, Y., Nai, J., Zhang, L., Zhang, S., Tao, X. Прямое восстановление: устойчивая технология переработки отработавших литий-ионных аккумуляторов. Energy Storage Materials, 2022. SCID: 54.1/7c347r4c. http://hdl.handle.net/10072/423090
7. Ji, H., Wang, J., Ma, J., Cheng, H.-M., Zhou, G. Основы, современное состояние и проблемы технологий прямой переработки литий-ионных аккумуляторов. Chemical Society Reviews, 2023. SCID: 54.1/z782g9zu.
8. Zhou, M., Li, B., Li, J., Xu, Z. Пирометаллургическая технология переработки отработанных литий-ионных аккумуляторов: эволюция и проблемы. ACS ES&T Engineering, 2021. SCID: 54.1/sruftuu3.