Vanu liitium-ioonakusid ümber töödeldes tekib praegu hulganisti grafiiti, millega pole enam midagi teha. Nüüd õnnestus Eesti keemilise füüsika nooremteaduril valmistada oma doktoritöös sellest toorainet uut tüüpi akudele.
Liitium-ioonakusid võib tänapäeval leida pea kõikjalt. “Lisaks telefonile ja sülearvutile kasutatakse neid akutööriistades ja elektriautodes. Samuti suuremates statsionaarsetes energialahendustes, näiteks akupankades päikeseenergeetika salvestamiseks,” loetleb Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituudi nooremteadur Reio Praats.
Kui akudes peituvaid väärtuslikumaid metalle, nagu koobaltit või niklit, osatakse juba taaskasutada, siis akudes sisalduv grafiit on jäätmena murelaps. See süsinikupõhine materjal mängib võtmerolli laengute talletamisel ja moodustab aku massist tavaliselt kuni neljandiku. “Praegu kaevandatakse üle 80 protsendi naturaalsest grafiidist Hiinas ja üle 90 protsendi akude tegemiseks kasutatavast grafiidist toodetakse Hiinas. Sealt tuleb meie jaoks Euroopa Liidus varustuskindluse probleem,” osutab Praats.
“Kõik tulemused olid üsna mitteootuspärased: suutsime teha prügist väärtusliku materjali.”
Oma äsja Tallinna Tehnikaülikoolis kaitstud doktoritöös proovis ta sestap kasutatud akugrafiidist midagi uut teha. Täpsemalt kasutas ta toorainena Li-ioonakude ümbertöötlemise jääkfraktsiooni, mis põhiliselt koosneb grafiidist, kuid sisaldab ka pisut metallijääke. Töö tulemusel suutis Praats valmistada sellest elektrokatalüsaatoreid ehk olulisi materjale uut tüüpi metall-õhk akude valmistamiseks.
Võrreldes Li-ioonakudega kasutavad metall-õhk akud nooremteaduri sõnul vähem raskesti hangitavaid ja strateegilisi materjale. See muudab need odavamaks ja keskkonnale vähem koormavaks. Metall-õhk akusid poleks aga võimalik teha ilma elektrokatalüsaatorita. “Kõik tulemused olid üsna mitteootuspärased: suutsime teha prügist väärtusliku materjali,” sõnab Praats.
Vanast uueks
Seni on Reio Praatsi väärindatud grafiit olnud sisuliselt praht. “Kui oleme mingi maavara kord välja kaevandanud, ei taha me ju, et see kohe raisku läheks. Seetõttu oleks väga mõistlik see ümber töödelda: kas uuesti akude või siis muude energiatehnoloogiate jaoks,” arutleb ta.
Vanu Li-ioonakusid saab ümber töödelda püro- ja hüdrometallurgiliste meetoditega. Esimesel juhul põletatakse grafiit lihtsalt ära. Teisel juhul vanad akud purustatakse ja sellest eraldatakse osa ühendeid. Järele jääb niinimetatud must mass. “See koosneb peamiselt kahest akuelemendist: katoodi aktiivsest materjalist, kus on väärtuslikud metallid, nagu liitium, koobalt, mangaan ja nikkel, ning grafiidist,” kirjeldab Praats. Kui väärtuslikumad metallid leostumise käigus sealt kätte saadakse, jääb järele musta massi leostumisjääk. “Selle jääkfraktsiooni väärindamine oligi minu doktoritöö põhiülesanne,” meenutab nooremteadur.
“Kui oleme mingi maavara kord välja kaevandanud, ei taha me ju, et see kohe raisku läheks.”
Oma töös proovis ta musta massi leostumisjäägist valmistada elektrokatalüsaatoreid. Need on materjalid, mis aitavad kiirendada teatud keemilisi reaktsioone. Praatsi huvitasid tema töös eeskätt hapniku redutseerumise ja hapniku eraldumise reaktsioon. “Hapniku redutseerumise reaktsiooni saab ära kasutada elektrienergia tootmiseks: näiteks vesinikkütuseelementides või uut tüüpi metall-õhkakudes, mida ma olengi üritanud arendada,” põhjendab ta.
Metall-õhkaku toimimisel on olulised mõlemad Praatsi huvitanud reaktsioonid. Kui kasutada seda elektrienergia saamiseks, toimub akus hapniku redutseerumine. Kui aga sama akut täis laadida, toimub seal hapniku eraldumise reaktsioon. “Selleks, et need reaktsioonid toimuksid tõhusamalt ja kiiremalt, ongi neid elektrokatalüsaatori materjale sinna vaja,” seletab nooremteadur.
Jäägitonnid ootavad
Praegu põhinevad elektrokatalüsaatorid enamasti ülikallitel ja haruldastel väärismetallidel, nagu plaatinal ja iriidiumil. “Neid on maakoores hästi vähe ja neid tahetakse asendada mitteväärismetallidel põhinevate katalüsaatormaterjalidega,” täpsustab Reio Praats. Oma doktoritöös püüdis ta pakkuda neile soodsamat ja keskkonnahoidlikumat alternatiivi.
Tema hinnangul oli väga hea, et musta massi leostumisjääk pole puhas grafiit, vaid sisaldab ka akumetallide jääke. “Kui muidu on akude ümbertöötlejatel probleem, et lisandid on seal sees ja neid pole lihtne kätte saada, siis minu jaoks on need just head. Elektrokatalüsaator-materjalide jaoks on vaja just neid metalle, mis jääkfraktsiooni sees on,” sõnab ta.
“Üks töö eesmärkidest oligi arendada ringmajandust, et me ei kaotaks nii palju väärtuslikke ressursse.”
Võrdluses väärismetallidel põhinevate katalüsaatoritega andsid Praatsi omad katsetes isegi parema tulemuse. “Ilmselgelt on õhus mitmeid küsimärke, sest metall-õhkakude arendustöö on veel üsna lapsekingades ja täielikult välja arenenud standardeid pole,” möönab ta.
Praats ise akusid töö tarbeks ümber ei töötanud, vaid kasutas olemasolevaid tööstusjääke. Tema sõnul ootab praeguseks väärindamist sadu tuhaneid tonne musta massi leostusjääki, millega midagi teha ei osata. “Üks töö eesmärkidest oligi arendada ringmajandust, et me ei kaotaks nii palju väärtuslikke ressursse. Teisest küljest jällegi arendaks edasi uusi energiasalvestustehnoloogiaid, et me saaks paremini salvestada meie rohelisi energiatootmise viise ehk siis näiteks päikese- ja tuuleenergiat,” ütleb ta.
Reio Praats kaitseb doktoritöö “Upcycling Li-Ion Battery Waste into Sustainable Electrocatalysts for Zinc-Air Battery Application” (“Liitiumioonakude jäätmete väärindamine ressursitõhusateks katalüsaatormaterjalideks tsink-õhk akude tarvis”) 29. septembril Tallinna Tehnikaülikoolis. Doktoritöö valmis Keemilise ja Bioloogilise Füüsika Instituudis (KBFI). Tööd juhendasid KBFI vanemteadur Kerli Liivand ja KBFI vanemteadur Ivar Kruusenberg. Oponeerisid Tim-Patrick Fellinger Saksa Materjalide uurimise ja katsetamise föderaalinstituudist (BAM) ja kaasprofessor Cristina Pozo Gonzalo Hispaania Riiklikust Teadusnõukogust.