Lityum Bataryalar: Çözüm mü, Yeni Bir Sorun mu?

Sürdürülebilir bir gelecek için biz araçları elektrikli hale getirmeye ve yenilenebilir enerji depolamaya çalışırken dünyayı yeni ve devasa bir soruyla karşı karşıya bırakıyoruz: Yaşam döngüsünü tamamlayan lityum pillere ne olacak?

Alıştığımız dünyamızda bir dizi değişiklik yaşanacak; içten yanmalı motorların devirlerinin ve zararlı egzozlarının yerini yavaş yavaş elektrikli araçların sessiz vızıltısı, benzin istasyonlarının baskın kokusunun yerini akülerin yeniden doldurulabileceği kokusuz şarj istasyonları almaya başlayacak ve gazla çalışan jeneratör sahaları, bir gün tüm şehirleri yenilenebilir enerjiyle besleyebilecek devasa bataryaları barındıracak şekilde yenilenecek. Ve bu ‘elektrikli gelecek’ düşündüğümüzden çok daha kısa süre içinde şimdiki zamana dönüşecek.

General Motors 2022 senesinin başlarında, gazla çalışan araç satışını 2035’e kadar durdurmayı planladığını açıkladı. Audi’nin hedef takvimi ise 2033. Diğer pek çok büyük otomotiv şirketi de aynı yolun izinden gidiyor. BloombergNEF’e göre, 2040’a kadar dünyadaki binek araç satışlarının üçte ikisi elektrikli olacak. Gelişen batarya depolama teknolojisi sayesinde dünya genelinde hızla büyüyen şebeke ölçekli sistemler de bunu doğrular nitelikte.

Tüm bu gelişmeler sürdürülebilir enerji ve karayolu seyahati için ideal gibi görünse de büyük bir sorunla karşı karşıyayız: elektrikli araçlarda ve yenilenebilir kaynaklardan enerji depolamak için kullanılan megabataryalarda yer alan lityum iyon (Li) pillerin oldukça zor geri dönüşümü. Bunun bir nedeni, kurşun-asit aküler gibi daha geleneksel aküleri geri dönüştürmek için kullanılan en yaygın yöntemlerin Li akülerle çalışmaması. Ve daha önemlisi, tipik olarak daha büyük, daha ağır ve çok daha karmaşık olan Li akülerin yanlış sökülmeleri halinde tehlike arz etmeleri.

Ortalama bir pil geri dönüşüm tesisinde, pil parçaları parçalanarak toz haline getirilir ve daha sonra bu toz ya eritilir (pirometalurji) ya da asit içinde çözülür (hidrometalurji). Ancak Li piller dikkatlice sökülmedikleri takdirde patlayabilecek çok sayıda farklı parçadan oluşur ve Li piller bu şekilde parçalandığında dahi ürünlerin yeniden kullanımı kolay değildir.

Leicester Üniversitesi’nde kimyager olan Andrew Abbott, “Her şeyi parçalayıp karmaşık bir karışımı saflaştırmaya çalışan mevcut yöntem, düşük değerli ürünlerle pahalı süreçlere neden oluyor,” diyor. Sonuç olarak bunları geri dönüştürmek, yenilerini yapmak için daha fazla lityum çıkarmaktan daha pahalıya mal oluyor. Ayrıca, Li pilleri dönüştürmenin büyük ölçekli ve ucuz yolları geride kaldığından, Li pillerin küresel olarak yalnızca %5’i geri dönüştürülüyor. Sonuçta çoğunluğu çöpe gidiyor. Ancak elektrikli araçlara olan talep arttıkça, ki artacağı tahmin ediliyor, akü ve motorlu araç endüstrisinde daha fazla akünün geri dönüştürülmesine yönelik itici bir gücün oluşması bekleniyor.

Li pillerin çevresel olarak büyük bir yük olamalarının tek nedeni, geri dönüşümlerindeki mevcut eksiklikler değil. Li piller için gereken çeşitli metallerin madenciliği, devasa kaynak ihtiyacını da beraberinde getiriyor. Bir ton lityum çıkarmak için 2.273.000 litre su kullanılıyor. Şili’nin Atacama Tuz Düzlükleri’nde yaşanan bitki örtüsü azalması, gündüz sıcaklıklarının artması ve ulusal rezerv alanlarında kuraklık koşullarının gözlenmesi lityum madenciliği ile ilişkilendirildi. Dolayısıyla, elektrikli araçlar kullanım ömürleri boyunca karbondioksit emisyonlarını azaltmaya yardımcı olsalar da, onlara güç veren batarya hayatına büyük bir çevresel ayak iziyle yüklü olarak başlıyor.

Tüm bu enerji harcamasının nötralize edilmesine yardımcı olmak adına, yaklaşık 10 yıl kadar kullanıldıktan sonra tükenecek olan milyonlarca Li pilin daha verimli bir şekilde geri dönüştürülmesi gerekiyor. Çeşitli laboratuarlar daha verimli geri dönüşüm yöntemleri geliştirmek için çalışıyor. Hızla artan talebi karşılamaya hazır olabilmesi için, Li pilleri geri dönüştürmenin standartlaştırılmış çevre dostu yolunun bulunması gerekiyor.

“Lityum, kobalt ve nikelin çıkarılması, rafine edilmesi ve pil haline getirilmesi için çok fazla elektrik ve çok fazla çaba harcandığından, bunu, döngüsel yaşam ömrü dediğimiz sürece sokmanın yollarını bulmalıyız,” diyor San Diego’daki California Üniversitesi’nde enerji teknolojileri profesörü olan Shirley Meng. “Pillere artık tek kullanımlık muamelesi yapamayız.”

Li bataryalar nasıl geri dönüştürülür?

Bir Li pil hücresi, elektrokimyasal reaksiyon sırasında elektronları toplayan, lityum ve tipik olarak kobalt, nikel, manganez ve demir içeren bazı elementlerin karışımından yapılmış bir metal katoda veya pozitif elektroda sahiptir. Ayrıca bir anot veya elektronları dış devreye bırakan, grafitten yapılmış bir elektrot, bir ayırıcı ve elektrotları katot ve anot arasında taşıyan bir elektrolit vardır. Anottan katoda doğru hareket eden lityum iyonları bir elektrik akımı oluşturur. Katottaki metaller, pillerin en değerli parçalarıdır ve kimyagerler bir Li pili söktüklerinde bunları korumaya ve yenilemeye odaklanır.

Bir Li pilin birçok katmanı olan bir kitaplık olduğunu varsayalım. Lityum iyonları her rafta hızla hareket ederek her seferinde en üst rafa dönüyor. Bu sürece interkalasyon adı veriliyor. Yıllar ve yıllar sonra ise, kitaplık doğal olarak çökmeye başlıyor. Dolayısıyla bir Li pili söküldüğünde, yapı ve malzemelerinde bu tür bir bozulma görülüyor.

Meng, “Aslında mekanizmaları bulabiliriz veya ısı ya da bir tür kimyasal işlem yöntemi kullanarak bu yapıyı tekrar bir araya getirebiliriz,” diyor. “Böylece bu geri dönüştürülmüş ve yenilenmiş malzemelerin yeni pillere dönüştürülmek üzere Li pil fabrikalarının montaj hattına geri dönmesine olanak tanıyabiliriz.”

Li pillerin geri dönüşümünü iyileştirmek ve nihayetinde parçalarını yeniden kullanılabilir hale getirmek, halihazırda piyasada bulunan Li pillere yeniden değer katacak şüphesiz. Bilim insanlarının Meng’in tarif ettiği doğrudan geri dönüşüm sürecini savunmalarının nedeni de bu; zira bu süreç Li pillerin katot ve anot gibi en değerli parçalarına ikinci bir hayat verme olanağına sahip. Bu, üretimle ilgili, enerji, atık ve maliyetleri de önemli ölçüde dengeleyecek bir çözüm.

Ancak Li piller şu an ağırlıklı olarak laboratuvar ortamında elle sökülüyor ve doğrudan geri dönüşümün daha geleneksel geri dönüşüm yöntemleriyle rekabet edebilmesi için bunun değişmesi gerekiyor. Abbott, “Gelecekte sökme işleminde daha fazla teknolojiye ihtiyaç duyulacak,” diyor. “Bir pil robotlar kullanılarak monte ediliyorsa, mantıklı olan, aynı şekilde demonte edilmesidir.”

Abbott’un İngiltere’deki Faraday Enstitüsü’ndeki ekibi, Li pillerin geri dönüşümü ve yeniden kullanımı konusunda uzmanlaşmış ReLib Projesi’nin bir parçası olarak Li pillerin robotik olarak sökülmesini araştırıyor. Ekip ayrıca ‘diş hekiminin dişlerinizi temizlemek için kullandığı gibi’ elektrosonik bir sensör kullanarak anot ve katodun doğrudan geri dönüşümünü sağlamanın bir yolunu buldu: Ultrason bir yüzeye odaklanıyor ve küçük kabarcıklar oluşturuyor, bu kabarcıklar patlayarak kaplamayı yüzeyden uzaklaştırıyor. Bu yöntem, geleneksel hidrometalurji yönetimine kıyasla aynı süre içinde 100 kat daha fazla malzeme işleyebiliyor. Ayrıca bu işlemin, işlenmemiş malzemeden yeni bir pil üretmenin yarısından daha az bir maliyetle gerçekleştirilebileceği söyleniyor. İşlem şu an sadece, zaten muhafazalarından arınmış oldukları için parçalarının ayrılması daha kolay olan üretim hurdalarına uygulanıyor.

Bozunabilir bataryalar

Daha çevre dostu yollarla üretilebilen ve parçalanabilen piller lehine Li pillerden uzaklaşılmasını savunan bazı bilim insanları da var. Texas A&M Üniversitesi’nde kimya mühendisliği profesörü olan Jodie Lutkenhaus, komutla bozunabilen organik maddelerden yapılmış bir pil üzerine çalışıyor.

“Günümüzde pek çok pil, enerji ve işçilik maliyeti nedeniyle geri dönüştürülmüyor,” diyor Lutkenhaus. “Komutla bozunan piller, geri dönüşümün önündeki engeli basitleştirebilir veya azaltabilir. Nihayetinde, bu bozunma ürünleri yeni bir pile dönüştürerek malzemelerin yaşam döngüsü kapatılabilir.”

Bir Li batarya sökülüp parçaları yenilense bile, kurtarılamayan ve atık haline gelen bazı parçaların olacağı düşünüldüğünde, bu son derece adil bir argüman. Öyle ki böylesi parçalanabilir bir pil, daha sürdürülebilir bir güç kaynağı haline gelebilir.

Organik Radikal Piller (Organic Radical Batteries, ORBs) 2000’lerin başından beri kullanılıyor ve elektronları depolamak ve serbest bırakmak için sentezlenen organik malzemelerin yardımıyla çalışıyor. Öyle ki bir ORP, elektronları veya enerjiyi birlikte depolamak ve serbest bırakmak için çalışan, her ikisi de elektrot görevi gören malzemelerden ikisine sahip. Ekip, ORP’leri amino asitlere ve diğer yan ürünlere ayırmak için bir asit kullanıyor; ancak parçaların düzgün bir şekilde bozunması için koşulların doğru olması gerekiyor.

Yine de bu bozunabilir pilin önünde bir dizi zorluk mevcut: İlki, bunu oluşturmak için gereken malzemelerin pahalı ve henüz elektrikli araçlar ve elektrik şebekeleri gibi yüksek talep gören uygulamalar için gereken miktarda güç sağlayamaması; ikinci ve en önemlisi ise, halihazırda köklü bir geçmişe sahip olan Li batarya ile rekabet edememesi.

Li pillerin doğrudan geri dönüşümünü ilerleten bilim insanları için bir sonraki adım, pil üreticileri ve geri dönüşüm tesisleriyle birlikte çalışarak yapımdan yıkıma kadar olan süreci kolaylaştırmak. Meng, “Tüm pil hücresi üreticilerini tüm pilleri barkodlamaya teşvik ediyoruz, böylece robotik yapay zeka teknikleriyle pilleri kolayca ayırabiliriz,” diyor. “Ama bunun gerçekleşmesi için tüm sektörün iş birliği yapması gerekiyor.”

Li piller, dizüstü bilgisayarlardan otomobillere ve elektrik şebekelerine kadar birçok farklı cihaza güç sağlamak için kullanılıyor ve kimyasal yapıları amaca bağlı olarak bazen önemli ölçüde farklılık gösterebiliyor. Bu durumun geri dönüştürülme şekillerine de yansıtılması gerekiyor. Bilim insanları, sürecin en verimli şekilde yürütülebilmesi için pil geri dönüşüm tesislerinin -geri dönüşüm sırasında farklı plastik türlerinin ayrıştırılmasına benzer şekilde- çeşitli Li pilleri ayrı kollara ayırması gerektiğini söylüyor.

Mücadele oldukça zorlu olsa da daha sürdürülebilir bataryaların yavaş ama emin adımlarla sahneye çıktığını görüyoruz. Abbott, “Montajı ve demontajı kolaylaştıran tasarımların pazara girdiğini şimdiden görebiliyoruz ve bunun gelecekteki batarya gelişiminde önemli bir konu olması muhtemel,” diyor.

Üretim tarafında, batarya ve otomobil üreticileri, madencilik sırasında kullanılan enerji miktarını ve her bir bataryanın ömrünün sonunda yarattığı atığı azaltmaya yardımcı olmak için Li batarya inşasında gereken malzemeleri yeniden gözden geçiriyor. Elektrikli otomobil üreticileri de kendi akülerini farklı şekillerde yeniden kullanmaya ve tasarlamaya başladı. Örneğin Nissan, eski Leaf otomobil akülerini yeniliyor ve bunları fabrikalarına parça taşıyan otomatik araçlara yerleştiriyor.

Yol üzerindeki hız tümsekleri

Elektrikli araçlara yönelik giderek artan pazar talebi ile otomobil endüstrisindeki şirketler Li bataryaların sürdürülebilirliğini artırmak için milyarlaca dolar harcamaya başladı. Şu an açık ara en büyük Li pil üreticisi olan Çin, söz konusu geri dönüşüm olduğunda da bir adım ilerde görünüyor.

Geri dönüşümünde farklı türler için ayrışma süreçlerini içeren standartlaştırılmış yöntemlerin yaygın olarak benimsenmesi, Li pillerin geleceği için önemli bir adım olacak. Aynı zamanda, katot gibi en elzem parçaların yenilenmesi için yapay zeka teknolojisinin kullanılması, Li akü bileşenleri tedariki az olan ülkelerin Çin’e çok fazla bel bağlamak zorunda kalmasının da önünü kesebilir.

Li bataryaya rakip olabilecek yeni bataryaların geliştirilmesi de sağlıklı bir rekabet yaratarak sektöre sarsıcı bir yenilik getirebilir. Üretimi daha ucuz ve ömrünün sonunda ayrıştırılması daha kolay olan, daha az karmaşık ve daha güvenli bir bataryanın ortaya çıkması, elektrikli araçlarla ilgili mevcut sürdürülebilirlik sorununa nihai cevap olabilir. Ancak böyle bir batarya çıkana kadar atılması gereken en önemli adım, Li batarya geri dönüşümünün standartlaştırılmasıdır.

Yaklaşık 2025’te, milyonlarca elektrikli araç aküsü ilk yaşam döngülerinin sonunda ulaştığında, kolaylaştırılmış bir geri dönüşüm süreci tüm dünyada ekonomileri için çok daha cazip görünecek şüphesiz. Belki de elektrikli araçlar ulaşımın baskın formu haline geldiğinde, bataryaların ikinci bir yaşam için hazırlanma şansı da yüksek olacak.