Automatizáció előtt áll az akkumulátorok újrahasznosítása

Habár az utóbbi hónapokban stagnálni tűnnek az eladások, az előrejelzések szerint az elektromos járművek eladásai 18 százalékkal fognak nőni évenként a következő öt évben, hogy 2028-ban már 161 milliárd dollár összértéket képezzenek.

Ennek eléréséhez nagy mennyiségű akkumulátor-ellátmány lesz szükséges, aminek nem is minden része fog újként üzemelni, ugyanis az elektromos autók telepeinek újrahasznosítása nagy üzletággá fejlődik. Ezt a szektort 2,3 milliárd dollár értékűre becsülték 2022-ben, az előrejelzések szerint pedig évenkénti 27 százalékos mértékben fog növekedni, így 2028-ra eléri majd a 9,8 milliárd dollár összértéket. Ez egy logikus folyamat, hiszen az elektromos autók egyre növekvő száma miatt (a Toyota Prius például már 2000 óta elérhető az észak-amerikai piacon) jelentős mennyiségű használt akkumulátor lesz elérhető akár új feladatkörben való hasznosításra, akár szétszerelésre, hogy összetevőikből új telepeket gyárthassanak.

Az egyetlen akadályt egy biztonságos és költséghatékony szétszerelési eljárás kifejlesztése jelenti. Napjainkban a folyamat teljesen manuális. „Mivel a szétszerelés nagyon emberi erőforrás-igényes, így ez az újrahasznosítás költségeinek 33 százalékáért felel jelenleg. A jövő akkumulátorainak dizájnjai csak még integráltabbak és összetettebbek lesznek, ami tovább fogja nehezíteni a folyamatot” – mondta Young Soo Park, az Argonne National Laboratory Alkalmazott Anyagok Osztályának programvezetője. Az elektromos autók akkumulátorai meglepően összetettek, emiatt a szétszerelés sok lépésből áll. Számos alkotóelemet kell eltávolítani egymástól, így a burkolatot, a kábelkötegeket, az akkumulátorkezelő rendszert, a hűtést, a rögzítő elemeket, valamint az egyes modulokat. Ezek szétszerelése is számos lépésből áll, míg végül a cellák egyesével kiszerelésre kerülnek.

Különleges megoldásokra van szükség

A gyártók előszeretettel automatizálnák a szétszerelési eljárást, azonban a folyamat sok olyan nehézséggel jár, amit nehéz hagyományos robotokkal kezelni. Kezdésként az akkumulátorcsomagok számtalan formában és méretben léteznek, amiket különféle módszerekkel szereltek össze. A folyamat emellett veszélyes is lehet, mivel egy rövidzárlat tüzet, vagy akár robbanást is előidézhet. Emiatt minden egyes automatizált szétszerelő rendszernek rendkívül precíznek és megbízhatónak kell lennie, valamint a feladat nagymértékű módosíthatóságot, pontos visszajelzéseket és térérzékelést igényel.

Park elmondása szerint „a folyamatok mindegyike nehézséget jelent a hagyományos ipari robotoknak. Az akkumulátorcsomagok szétszerelése nem egy egyszerű művelet. Gyakran szükséges hozzá a mozdulatok és az erővisszacsatolás kombinációja. Egy kis robotra van hozzá szükség, aminek nagy az ereje, valamint dinamikus vezérlésre is képesnek kell lennie.” A szakember hozzátette, hogy az olyan új technológiák, mint a 3D érzékelés, a kiterjesztett és a virtuális valóság, a gépi tanulás, az ember-robot együttműködések, valamint a jobb robotvezérlő rendszerek lehetővé teszik majd az imént említett problémák leküzdését. „A távvezérlésű robotok szintén segítségünkre lesznek, hiszen nem feltétlenül szeretnénk, ha az ember ott tartózkodna, ahol a robot a munkáját végzi” – mondta.

Park és az Argonne-nál dolgozó kollégái egy hasonló mértékű kihívást jelentő feladat megoldásán dolgoznak: radioaktív anyagokat kell kezelniük berendezett környezetekben, például egy laboratóriumban, valamint nem berendezett helyszíneken is, mint egy nukleáris baleseti környezetben.

Alapvető szerepet kap az AR és a VR

Az Argonne kutatói fejlett távoli működtetésű technológiát készítenek az akkumulátorok szétszereléséhez, amihez a kiterjesztett valóságot (AR) és a robotok automatizálását is felhasználják. A kiterjesztett távműködtetés során „virtuális berendezéseket” hoznak létre a távvezérlés egyszerűsítésének és pontosabb működésének céljából. Az autonóm távvezérlés közben a robot önvezérelt munkáját kézi parancsokkal egészítik ki, így hatékony távoli műveleteket képesek végrehajtani. Ezek a technológiai innovációk már használatban vannak a nukleáris helyszínek megtisztításához és leszereléséhez.

Az automatizált létesítményekhez tervezett robotikai és távoli működtetésű rendszerek fejlesztése egy összetett és drága folyamat. Az aggályok ellenére a legújabb fejlesztésű virtuális valóságot használó technológiák használhatóak tervezési, optimalizációs és érvényesítési feladatokra is, így nincs szükség fizikai prototípusok építésére – állítja Park. Az Argonne virtuális modellezési és szimulációs lehetőségeket fejlesztett ki számos nukleáris és gyártási létesítmény számára, akik így megspórolhatják a fizikai prototípusokba ölt pénzt és időt.

A labor olyan intelligens eljárásokat fejleszt, amikkel elemezhetővé és megoldhatóvá válik az automatizációs technológiák használata a nehéz és összetett felhasználási helyeken is. Például a kutatók kifejlesztettek egy új, gépi tanuláson alapuló módszert, ami által a robot úgy programozható, hogy az emberek bemutatják neki a végrehajtandó feladatot, majd a robot átülteti azt a munkakörnyezetbe. A feladatot bemutató technikuson szenzorokat és visszajelző eszközöket helyeznek el, amik mozgási információkat adnak a robot vezérlőjének. Ezt egy vizuális megfigyelő rendszer egészíti ki. Ezt a technológiát már több területen is aktívan használják, így hasonló könnyedséggel alkalmazható lehet az elektromos autók akkumulátorainak szétbontásához is.

Az Argonne élenjáró a szétszerelt akkumulátorok alapanyagainak visszanyerésében, finomításában és újrahasznosításában is. A kutatók olyan modelleket is fejlesztettek, amik képesek felmérni az akkumulátorok gazdasági és környezeti hatásait azok élettartamának egyes szakaszaiban. Az elektromos autók telepei számos értékes ásványt és alapanyagot tartalmaznak. Az Egyesült Államok jelenleg nem termel ezekből annyit, hogy import nélkül is képes legyen akkumulátorokat előállítani. Az újrahasznosítás azonban megoldhatja ezt a problémát.

Számos partnert segít az Argonne

A laboratórium több együttműködést is létrehozott olyan szervezetekkel, akik az anyagmegmunkálásban vagy az újrahasznosításban tevékenykednek. Ilyen szervezet a Lilac Solutions, akik egy új eljárásnak köszönhetően sokkal nagyobb mennyiségű lítiumot képesek kinyerni a hagyományos módszerekhez képest. Ez a gyártási időt is csökkenti, valamint a környezeti hatása is elenyésző. Az Argonne az új technológia lehetőségeinek kiaknázásában segédkezik.

Az American Battery Technology Co. (ABTC) agyagkőzetből állít elő lítium-hidroxidot, ami a lítiumtermelés költségeit és környezeti hatásait csökkentheti. Az Argonne a technológia elemzésében, a termelési költségek és a környezeti hatások felmérésében, valamint a fejlődési lehetőségek keresésében segíti az ABTC-t.

A Michigani Műszaki Egyetem az Argonne segítségével egy olyan projekten dolgozik, ami a bányászati felesleg-visszanyerés eszközeit használja az akkumulátorok újrahasznosításához, a költségek és a minőség okozta problémák kiküszöbölésére. Ha sikeres a projekt, akkor 25 százalékkal is csökkenhet az energiaszükséglet, valamint segíthet megalapozni az egyesült államokbeli akkumulátor újrahasznosítás nyereségességét és alapanyagokkal is szolgálhat a telepek gyártásához.

Az Argonne kutatói ezek mellett a Princeton NuEnergy Inc.-vel közösen egy olyan technológiát is fejlesztenek, amivel elkerülhető lesz az akkumulátorok kémiai lebontása. Ezzel ismét a költségeket, valamint a kémiai hulladék mennyiségét csökkentenék, de az anyagok teljesítménye is javulhat, valamint az ellátási láncok problémáit is lefedik így. A San Diegó-i Kaliforniai Egyetem (UCSD) olyan újrahasznosítási eljárást végez, amelynek során tisztítási lépéseket hajtanak végre a katódok minőségének javítása érdekében, emellett visszavágják a költségeket akár 80 százalékkal is. Az Argonne kutatói a belföldi katódellátás korlátozottságának leküzdésében segítik a UCSD projektjét – írja az Assembly Magazine.