Правда ли, что батарейки настолько вредны для экологии?
Безвредные батарейки существуют?
Батарейки — это довольно широкое понятие. В английском языке слово «батарейка» — battery — означает и батарейку, и аккумулятор. Я не считаю, что батарейки, которые мы используем в повседневной жизни, так уж вредны. Вредность батарейки определяется тем, какие в ней компоненты.
Батарейка — это всегда два химических соединения, которые образуют электрохимическую пару. Один электрод делается из одного, другой — из другого. Именно химическая природа этих материалов определяет основные свойства батарейки: ее напряжение, емкость, сколько она может работать. Например, в популярных в быту щелочных батарейках электрохимическая пара — это цинк и оксид марганца. Электролит в этих батарейках — раствор щелочи, обычно гидроксида калия.
Конечно, нехорошо, если в почву попадет цинк, он обладает определенной токсичностью. Соединения марганца, используемые в такой батарейке, в целом безвредны. Щелочной электролит в небольших количествах не наносит большого вреда экологии, потому что в условиях окружающей среды щелочь взаимодействует с углекислым газом и образует карбонаты, в данном случае карбонат калия, который не так уж вреден. Правда, он может изменить кислотность почвы.
Сбор батареек ведется для того, чтобы токсичные вещества не попадали в землю. Но одна батарейка никакой баланс в почве не изменит. Это ничто по сравнению с теми количествами неорганических веществ, которые попадают в почву и воды с наших дорог, обрабатываемых противогололедными реагентами зимой. Да и вообще, по сравнению, например, с первым поколением литий-ионных аккумуляторов щелочные батарейки можно считать безвредными.
Про экологическую составляющую раньше вообще мало думали, старались выбирать электрохимические пары, которые дают достаточно большое напряжение, могут обеспечивать большую емкость. То есть заботились о главном свойстве батарейки: чтобы она как можно дольше работала и содержала в себе как можно больше энергии.
С этой точки зрения выбирали не всегда оптимальные элементы в плане экологии. Но на самом деле можно выбирать и более экологичные варианты. Например, в часовых батарейках пару составляют литий и диоксид марганца. Некоторую вредность представляет раствор электролита, который сделан на основе органических растворителей, но в такой батарейке его совсем мало. То есть достаточно безвредные батарейки все же бывают.
Конечно, нельзя сделать батарейку из воды и воздуха. Но подобрать такие пары, которые не представляют опасности для окружающей среды, можно. Например, есть алюминиево-воздушные батарейки, электролитом в них является морская вода. Это не единственный пример безвредной системы. Она не очень хороша по удельной энергии, у нее есть ограничения, но при этом она не несет никакой опасности. Одно из применений таких батареек — питание морских буев. Интересно, что такая батарейка не имеет корпуса: алюминиевые пластины, погруженные в воду, являются одним электродом, а второй компонент — активное вещество электрохимической пары — представляет собой кислород, растворенный в морской воде.
Аккумуляторы лучше батареек?
В МФТИ наш центр занимается разработкой в первую очередь аккумуляторов, поэтому расскажу и о них. В отличие от одноразовых батареек, некоторые аккумуляторы, например литий-ионные, могут использоваться 1000 и более циклов разряда-заряда. Поэтому до сих пор объем отработанных аккумуляторов был не столь велик, как объем отработанных батареек. И пока такие литий-ионные аккумуляторы использовали лишь в мобильных устройствах, они представляли несущественную экологическую проблему. Однако в будущем, когда значимая часть транспортных средств будет с электрической тягой, применение аккумуляторов вырастет на порядки. Это то, чего все ожидают, к чему все готовятся и что делает проблему переработки аккумуляторов крайне актуальной.
Большинство видов аккумуляторов более вредны, чем батарейки, о которых мы говорили. Например, свинцово-кислотные аккумуляторы, которые стоят в машинах с двигателем внутреннего сгорания в качестве стартерных, плохи тем, что в них есть свинец. Электродные пластины положительного и отрицательного электродов состоят из свинца и его соединений, и они достаточно вредны для окружающей среды, для живых организмов.
Литий-ионным аккумуляторам предшествовали никель-металлогидридные и никель-кадмиевые аккумуляторы. От никель-кадмиевых систем стараются отказываться максимально. Когда они попадают в окружающую среду, корпус ржавеет и в землю проникает очень токсичный кадмий.
Сегодня все более популярны литий-ионные аккумуляторы — в экологическом плане они тоже заметно опаснее, чем батарейки. Во многих типах литий-ионных аккумуляторов содержится очень токсичный элемент — кобальт. Этот элемент в виде куска металла опасности, конечно, не представляет, а вот его соединения опасны: некоторые из них имеют низкие летальные дозы для живых существ. Кроме того, у таких аккумуляторов существенно более токсичный электролит. Используемая в литий-ионных аккумуляторах соль лития при контакте с малейшей влажностью разлагается с выделением плавиковой кислоты, которая очень опасна. Помимо этого, используемая литиевая соль обладает канцерогенной активностью.
Электролита в небольших аккумуляторах мало, но в крупных аккумуляторах и батареях его количество заметно. И для больших систем, таких как электромобили и их тяговые аккумуляторы, вопрос переработки аккумуляторов, их утилизации стоит достаточно остро. Это то, чем надо активно заниматься и над чем мы задумываемся в МФТИ.
Из-за токсичности и высокой стоимости в литий-ионных аккумуляторах сейчас стараются по максимуму отказаться от кобальта в пользу менее токсичных и дорогих элементов — например, никеля. Существуют сегодня и литий-ионные аккумуляторы, не содержащие ни никеля, ни кобальта вовсе — вместо соединений этих металлов можно использовать смешанный фосфат железа-лития.
По этим причинам пользователь должен обязательно сдавать аккумуляторы в утилизацию: и литий-ионные тоже, и тем более никель-кадмиевые.
Не надо хранить в ящике стола старые мобильные телефоны. Литий-ионные аккумуляторы мало того, что вредные, они еще и пожароопасные. При деформации и случайном коротком замыкании они могут загореться, а в некоторых случаях даже взорваться.
При этом их очень сложно тушить: это почти невозможно сделать никаким огнетушителем. Лучший способ потушить литий-ионный аккумулятор — это убежать и ждать, пока сам догорит.
К сожалению, с вопросом сбора и утилизацией аккумуляторов у нас все обстоит хуже, чем со сбором батареек. Могу сказать, как мы решаем вопрос в моей лаборатории, которая занимается вопросами безопасности литий-ионных аккумуляторов. Все сотрудники приносят свои старые аккумуляторы и преднамеренно взрывают их во благо науки в специальных безопасных условиях.
Промышленная утилизация аккумуляторов включает их полный разряд «до нуля» на специальных предприятиях, перемалывание и сжигание в специальных печах. Потом из полученного шлака гидрометаллургическими методами извлекаются ценные элементы: в первую очередь литий, кобальт, никель. Это сырье дорогое, поэтому его извлекают и вновь пускают в производство материалов для аккумуляторов.
Придумать безопасную альтернативу литий-ионным аккумуляторам пока сложно, но все работают над повышением их безопасности. Разрабатываются так называемые твердотельные аккумуляторы, в которых электролитом служит не раствор, а твердое вещество. Такие аккумуляторы могут обеспечить существенно более высокий уровень безопасности.
Кроме того, в обычные литий-ионные аккумуляторы добавляют пламягасящие добавки, чтобы даже в случае аварии элемент был самозатухающим. Над этим сейчас активно работает научное сообщество, пытаясь сделать их более пожаробезопасными.