Анализ экологического воздействия литиевых аккумуляторов фитнес-браслетов и перспективы их рационального использования

Введение

Рынок носимых электронных устройств, куда входят фитнес-браслеты и умные часы, демонстрирует устойчивый рост. По данным международной аналитической компании IDC, в первом квартале 2026 года объем мировых поставок носимых гаджетов достиг 47,05 млн единиц, и это на 2,2% превышает показатель аналогичного периода предыдущего года [11]. При этом сегмент умных часов показал наиболее значительный рост сразу на 4,8%, достигнув объема 37,03 млн устройств, тогда как продажи фитнес-браслетов сократились на 6,1% до 10,02 млн единиц. Китай остается крупнейшим рынком с 18,14 млн поставок, причем Apple и Xiaomi занимают практически равные доли мирового рынка (17,0% и 16,9% соответственно) [11]. Согласно прогнозам Global Market Insights Inc., в период с 2026 по 2035 год рынок носимых устройств будет расти со среднегодовым темпом около 8% [11]. Основным источником питания для абсолютного большинства таких устройств служат литий-ионные аккумуляторы малого форм-фактора.

Актуальность исследования связана с тем, что срок службы носимых устройств обычно не превышает 1-2 лет, затем же они заменяются новыми моделями, и это приводит к образованию значительного объема электронных отходов. При этом экологическому следу именно малогабаритных батарей, которые применяются в фитнес-браслетах, уделяется недостаточное внимание в научной литературе, хотя их совокупное воздействие на окружающую среду сопоставимо с воздействием аккумуляторов более крупных устройств из-за их массового производства. Новизна предлагаемого здесь подхода заключается в разработке методики количественной оценки экологической эффективности использования литиевых батарей носимых устройств с учетом полного жизненного цикла, а также во введении интегрального показателя экологического следа пользователя.

Проблема исследования заключается в том, что есть противоречие: с одной стороны, устройствам нужно питание, а с другой – добыча лития и изготовление аккумуляторов наносят экологии серьезный вред, на всех этапах их жизни, начиная от добычи сырья и заканчивая тем, как их выбрасывают. Губенков А. О. отмечает: «литий-ионные аккумуляторы рассматриваются, с точки зрения, негативного воздействия на экологическую безопасность в процессе их первичного производства, прямой переработки, повторного использования, а также утилизации» [3, с. 162]. Сами же устройства обновляются очень быстро, из-за чего отходов становится больше, у людей нет желания думать о том, как правильно избавляться от старых батарей, и это положение дел только ухудшает общую ситуацию. По мнению исследователей, «совокупное количество отходов электромобилей является значительным, учитывая траекторию роста рынка электромобилей. Они представляют собой ряд серьезных масштабных проблем, с точки зрения хранения, переработки и утилизации батарей, а также вреда экологии» [3, с. 163]. Такие же закономерности работают и для аккумуляторов в носимых устройствах, тем более, если учесть, что их выпускают миллионными партиями.

Если посмотреть на то, что пишут по этой теме, экологическая проблема от литиевых аккумуляторов изучается с разных сторон. К примеру, Арифуллин А. и Заруба Е. рассматривают, какие есть варианты по добыче рассольного лития в нашей стране, и они пишут, что «к 2030 году внутренний спрос на литий в России вырастет более чем в два раза» [1, с. 38]. Это, в свою очередь, поднимает вопрос о том, откуда брать ресурсы для производства батарей. Жанабаева А. К. вместе с другими авторами предлагает технологию, чтобы получать материалы для электродов из сподуменовой руды [4, с. 141], и это показывает, что первичное сырье тоже можно перерабатывать. А в работах по гидрометаллургии, например у Ахмаджанова И. А., говорится, что если взять щавелевую кислоту, то из растворов с литием можно осадить до 99% кобальта, никеля и марганца [2, с. 5]. Сухомлинова В. Н. в своем исследовании, касающемся изменения щелочно-кислотных свойств почв при их загрязнении соединениями лития, установила, что «при внесении хлорида и сульфата лития происходит подкисление почвы, гидроксида и карбоната лития – подщелачивание» [10, с. 152], здесь выявлена прямая зависимость между концентрацией этих соединений лития и изменением уровня pH почвы [10, с. 155]. Это, в свою очередь, подтверждает необходимость контроля за тем, чтобы литиевые соединения не попадали в окружающую среду. Исследования деградации аккумуляторов, которые провели Дедов С. И. вместе с соавторами [5, с. 102], показали, что при циклировании литий-железо-фосфатных ячеек наибольшему износу подвергаются те элементы, которые нагружены большими токами тяги и торможения [5, с. 102]. Однако же стоит учесть, что данные исследования проводились для аккумуляторов карьерных самосвалов, а не для малогабаритных батарей носимых устройств.

Наиболее близкой к теме данной работы можно считать публикацию, которая посвящена исследованию механизмов деградации интерфейса в твердотельных литиевых батареях с полимерным электролитом на основе полиэтиленоксида (PEO) и с катодом из LiCoO₂ [12]. В работе Ли Дж. с соавторами установлено, что при напряжении заряда 4,2 В основная причина ухудшения электрохимических характеристик связана не с разложением PEO, а, наоборот, с разрушением структуры поверхности LiCoO₂, которое вызвано окислительно-восстановительной реакцией между высокореакционной поверхностью катода и полимерным электролитом. Авторы показали, что применение защитного покрытия Li₃AlF₆ на поверхности частиц LiCoO₂ помогает подавить структурную деградацию и улучшить циклируемость: к примеру, после 50 циклов разрядная емкость покрытых образцов составила 98 мАч/г при сохранении 75,1% начальной емкости, тогда как немодифицированный LiCoO₂ полностью деградировал уже после 50 циклов, потеряв более 90% емкости [12]. При повышении напряжения до 4,5 В и выше, согласно данным дифференциальной электрохимической масс-спектрометрии (DEMS), начинается интенсивное электрохимическое разложение PEO с выделением газов (H₂, CH₄, C₂H₂, CO, O₂, CO₂), и это сопровождается постоянным ростом импеданса ячейки [12]. Эти результаты показывают, что для малогабаритных аккумуляторов, где полимерные электролиты и катодные материалы работают в схожих диапазонах напряжений, критическими факторами деградации являются не только электрохимическая нестабильность электролита, но также и структурные изменения поверхности электродов, что подтверждает сложность прогнозирования срока службы батарей.

Ни одно из известных исследований не предлагает комплексной методики для количественной оценки экологического воздействия батарей носимых устройств с учетом выявленных механизмов деградации. Исследование [12] фокусируется на электрохимических аспектах деградации, но оно не рассматривает экологические последствия сокращения срока службы батарей изза структурной нестабильности электродов и разложения электролита. Учитывая, что для фитнес-браслетов и аналогичных носимых устройств характерны высокие токи разряда (до 3С), цикличные нагрузки и ограниченное пространство для рассеивания тепла, деградационные процессы могут протекать с еще большей интенсивностью, и это напрямую влияет на частоту замены устройств, а, соответственно, и на объем образующихся отходов. Поэтому актуальной научно-практической задачей становится разработка методики оценки экологического следа батарей носимых устройств, которая бы учитывала кинетику деградации емкости и позволяла бы количественно сопоставить различные сценарии использования.

Материалы и методы

Объектом исследования выбраны литий-ионные аккумуляторы. Их параметры таковы: форм-фактор 18650, то есть диаметр 18 мм, а высота 65 мм. Номинальная емкость составляет 1600 мАч, напряжение – 3,2 В. Максимальное напряжение при этом равно 4,35 В. Ток заряда доходит до 1С (1,6 А), а ток разряда, соответственно, до 3С (4,8 А).

Методика исследования строится на четырех основных этапах. Сначала выполняется расчет экологического следа для одной батареи. За основу берутся данные о содержании токсичных веществ, а также о выбросах, которые происходят при ее производстве. Затем же проводится оценка того, как именно падает емкость. Это зависит от числа циклов заряда-разряда, плюс от условий эксплуатации. Здесь учитываются и механизмы структурной деградации, которые выявлены в работе [12]. Эти механизмы могут ускоряться, если циклирование происходит в условиях высоких токов, а также когда ограничен теплоотвод. Далее следует сравнительный анализ трех разных сценариев использования. Сценарий А – это замена устройства каждые 1,5 года, что является типичным сценарием. Сценарий Б – это продление срока службы до 3 лет. Такое становится возможным, если заменить только батарею, а не все устройство. И сценарий В – это сдача на переработку. Здесь эффективность извлечения материалов достигает 85%. На заключительном этапе разрабатываются некоторые рекомендации по рациональному использованию. И затем же предлагается сама методика для оценки «экологического следа пользователя».

Результаты и обсуждение

Для того, чтобы рассчитать экологический след одной батареи, мы использовали данные по типичному составу литий-кобальт-оксидного аккумулятора (LiCoO₂). Масса такого элемента составляет около 45 г. Содержание лития в нем – примерно 7% от всей массы катода, а кобальта, соответственно, около 60%. Чтобы произвести 1 кг лития, требуется переработать 250 тонн минеральной руды, а именно сподумена [1, с. 40]. При этом, как указано в источнике, для извлечения одной тонны лития из рассолов требуется 1900 тонн воды, которая расходуется на испарение» [3, с. 164]. Производство кобальта тоже требует ресурсов. 65% мировых запасов этого металла находятся в Демократической Республике Конго. И там его добыча, в свою очередь, связана с серьезными социальными и экологическими проблемами [3, с. 164].

Масса токсичных веществ в одной батарее рассчитывается по следующей формуле:

Mтокс = mб × Σ (Ci × Kтокс,i), (1)

Где:

M_токс – масса токсичных веществ в пересчете на эквивалент свинца, г; m_б – масса батареи, г (45 г);

C_i – массовая доля i-го токсичного элемента, %;

K_токс,i – коэффициент токсичности i-го элемента относительно свинца (для лития – 0.5, для кобальта – 2.0, для никеля – 1.5).

Возьмем значения для обычного литий-кобальт-оксидного аккумулятора. В его составе литий – 3%, кобальт – 25%, никель – 5%, а марганец – 10% от общей массы батареи. Подставим в формулу: M_токс = 45 × (0.03×0.5 + 0.25×2.0 + 0.05×1.5 + 0.10×0.8) = 45 × (0.015 + 0.5 + 0.075 + 0.08) = 45 × 0.67 = 30.15 г.

Итак, мы получили значение 30.15 г эквивалента свинца. Оно показывает, что токсический потенциал даже одной небольшой батареи является весьма существенным. Если же такой элемент питания попадет на свалку, а его корпус со временем разрушится, то эти вещества вполне могут мигрировать. Они способны попасть в почву, а также и в грунтовые воды. Объем почвы, который может быть загрязнен сверх допустимого уровня, то есть выше предельно допустимой концентрации (ПДК), рассчитывается далее по следующей формуле:

Vпочв = Mтокс / (ПДКср × ρпочв), (2)

Где:

V_почв – объем загрязненной почвы, м³;

ПДК_ср – средневзвешенная ПДК для смеси металлов, мг/кг (50 мг/кг для смеси тяжелых металлов); ρ_почв – плотность почвы, кг/м³ (1500 кг/м³).

V_почв = 30150 мг / (50 мг/кг · 1500 кг/м³) = 30150 / 75000 = 0.402 м³.

Объем воды, который может быть загрязнен до уровня ПДК, с учетом растворимости металлов:

Vводы = Mтокс × Kраств / (ПДКвод × 1000), (3)

Где:

V_воды – объем загрязненной воды, м³;

K_раств – коэффициент растворимости (0.1 для смеси металлов);

ПДК_вод – предельно допустимая концентрация в воде, мг/л (0.5 мг/л для смеси тяжелых металлов).

V_воды = 30150 мг × 0.1 / (0.5 мг/л × 1000) = 3015 / 500 = 6.03 м³. Выбросы CO при производстве батареи:

E_CO2 = m_б × E_уд, (4)

Где:

E_CO2 – выбросы CO, кг CO-экв;

E_уд – удельные выбросы на производство 1 кг батареи, кг CO/кг (15 кг CO/кг для литий-ионных батарей).

E_CO2 = 0.045 кг × 15 кг CO/кг = 0.675 кг CO-экв.

Производство одной батареи для фитнес-браслета сопровождается выбросами примерно в 0.675 кг CO-экв. Если же взять годовое производство, которое составляет около 50 млн устройств, то выбросы тогда достигают порядка 33 750 тонн CO-экв. И это только на этапе производства самих батарей.

Чтобы оценить, как именно деградирует емкость аккумулятора, используется модель. Она основана на эмпирических данных, которые получены для малогабаритных цилиндрических ячеек. Зависимость остаточной емкости от числа циклов заряда-разряда при этом описывается следующим уравнением:

Q(N) = Q₀ × (1 - k · N^α), (5)

Где:

Q(N) – остаточная емкость после N циклов, мАч;

Q₀ – начальная емкость, мАч (1600 мАч);

k – коэффициент деградации (0.0005 для стандартных условий);

α – показатель степени (0.7 для типичных условий эксплуатации).

Для стандартных условий (температура 20°C, ток 0.75C, диапазон напряжения 3.0–4.35 В) после 500 циклов:

Q(500) = 1600 × (1 - 0.0005 × 500^0.7) = 1600 × (1 - 0.0005 × 70.7) = 1600 × (1 - 0.03535) = 1600 × 0.96465 = 1543 мАч.

Что соответствует сохранению 96.5% емкости.

Для корректировки модели нужно добавить также коэффициент β, учитывающий условия эксплуатации:

Q(N) = Q₀ × (1 - β × k · N^α). (6)

Когда β равен 1.2, получается, что Q(500) = 1600 × (1 - 1.2 × 0.0005 × 70.7) = 1600 × (1 - 0.0424) = 1532 мАч. Это значение все еще оказывается выше тех данных, которые были получены экспериментальным путем. Значит, это указывает на то, что нужно учитывать еще и дополнительные факторы деградации. К примеру, это может быть рост сопротивления переносу заряда (или же Rct), а также образование поверхностных слоев, таких как LiF. Поэтому далее используется уточненная модель деградации, которая уже принимает во внимание рост этого самого сопротивления переносу заряда:

Q(N) = Q₀ / (1 + γ × N^0.5), (7)

Где γ – коэффициент, характеризующий скорость роста сопротивления (для малогабаритных ячеек γ ≈ 0.05).

Q(500) = 1600 / (1 + 0.05 × √500) = 1600 / (1 + 0.05 × 22.36) = 1600 / (1 + 1.118) = 1600 / 2.118 = 755 мАч.

Данная модель демонстрирует быструю деградацию. Это говорит о том, что механизм старения у малогабаритных ячеек является более сложным. Он включает в себя не только рост сопротивления, но и иные процессы. К примеру, это может быть механическое отслоение покрытия анода.

На основе этой самой модели построена таблица 1. В ней отражена зависимость остаточной емкости от количества циклов. Рассматриваются различные режимы эксплуатации.

Таблица 1

Зависимость остаточной емкости аккумулятора от числа циклов при различных режимах эксплуатации

После 500 циклов позволяет сохранить на 10–12% больше емкости, нежели стандартный режим. А если сравнивать с ускоренным режимом, то разница получается заметнее, +14–24% сохраненной емкости. Из этого следует, что срок службы батарей можно существенно продлить. Для этого достаточно просто оптимизировать режимы заряда-разряда, а также скорректировать температурные условия, в которых они работают.

Далее же выполняется расчет кумулятивного экологического ущерба. Он считается отдельно для каждого из трех сценариев использования. Расчет проводится по следующей формуле:

Eсумм = Σ (Eпроизв + Eэкспл + Eутил) × Nустр, (8)

Где:

E_сумм – суммарный экологический ущерб, кг CO₂-экв;

E_произв – ущерб от производства одной батареи, кг CO₂-экв (0.675 кг);

E_экспл – ущерб от эксплуатации (выбросы при зарядке от сети), кг CO₂-экв (0.1 кг = весь срок службы);

E_утил – ущерб от утилизации, кг CO₂-экв (0.05 кг при захоронении, 0.02 кг при переработке);

N_устр – количество устройств (50 млн в год).

Для сценария А (замена устройства каждые 1.5 года, утилизация на свалке): Eсумм, А = 50·10⁶ × (0.675 + 0.1 + 0.05) = 50×10⁶ × 0.825 = 41.25×10⁶ кг CO₂-экв = 41.25 тыс. т CO₂-экв.

Для сценария Б (продление срока службы до 3 лет, замена только батареи, утилизация на свалке):

Eсумм, Б = 25×10⁶ · (0.675 + 0.2 + 0.05) = 25×10⁶ · 0.925 = 23.125×10⁶ кг CO₂-экв = 23.13 тыс. т CO₂-экв.

Для сценария В (сдача на переработку с эффективностью 85%, замена каждые 1.5 года):

Eсумм, В = 50×10⁶ · (0.675 + 0.1 + 0.02×0.15) = 50·10⁶ × (0.775 + 0.003) = 50·10⁶ × 0.778 = 38.9·10⁶ кг CO₂-экв = 38.9 тыс. т CO₂-экв.

Интегральный показатель экологической эффективности:

Eэфф = Eсумм / (Tэкспл × Nустр), (9)

Где:

E_эфф – показатель экологической эффективности, кг CO₂ – экв/(год·устр);

T_экспл – общее время эксплуатации, лет.

Для сценария А:

Eэфф, А = 41.25×10⁶ / (1.5 × 50·10⁶) = 41.25×10⁶ / 75×10⁶ = 0.55 кг CO₂экв/(год·устр).

Для сценария Б:

Eэфф, Б = 23.13×10⁶ / (3 · 25×10⁶) = 23.13×10⁶ / 75×10⁶ = 0.308 кг CO₂экв/(год·устр).

Для сценария В:

Eэфф, В = 38.9×10⁶ / (1.5 × 50·10⁶) = 38.9×10⁶ / 75×10⁶ = 0.519 кг CO₂экв/(год·устр).

Таблица 2

Интегральный показатель экологической эффективности для различных сценариев использования

Если обратиться к данным из таблицы, то видно, что сценарий Б выглядит предпочтительнее всего с точки зрения экологии. Речь идет о продлении срока службы до 3 лет. Именно этот вариант дает снижение удельного экологического ущерба на целых 44%, если брать за точку отсчета базовый сценарий. Жизненный цикл представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Жизненный цикл батареи фитнес-браслета с точками экологического контроля

Алгоритм выбора представлен на рисунке 2.

Рис. 2. Алгоритм выбора оптимального сценария эксплуатации

На основе того, что получили в ходе анализа, можно дать несколько практических советов по поводу того, как использовать батареи в фитнесбраслетах:

1. Чтобы продлить жизнь батареи, лучше держать ее заряд в пределах 20–80%, не допускать как полного разряда, так и перезаряда – это вредит.
2. Если эксплуатировать устройство при температуре от 15 до 25°C, то деградация аккумулятора замедляется где-то на 15–20%. Для сравнения: при 30–40°C такого эффекта уже не будет.
3. Когда включается режим «энергосбережения» и отключаются функции, которые не используются (например, постоянный пульсометр или GPS), то число циклов заряда-разряда снижается. А значит, и срок службы становится дольше.
4. Если устройство все же вышло из строя, его лучше сдать в специализированный пункт приема электроники. Тогда переработка будет обеспечена с эффективностью не ниже 85%.
5. Производителям же стоит задуматься о том, чтобы устройства проектировались с возможностью замены батареи самим пользователем. Это как раз позволит реализовать сценарий Б, и экологический ущерб снизится на 44% в сравнении с базовым сценарием.

Заключение

Итак, результаты проведенного исследования показывают, что экологическое воздействие литиевых аккумуляторов из фитнес-браслетов можно существенно снизить. Для этого нужно лишь рационально их использовать и по возможности продлевать им срок службы. Предложенная методика для количественной оценки экологического следа дает возможность объективно сравнивать разные сценарии эксплуатации. А затем же на основе этого сравнения уже можно принимать взвешенные решения. Что касается практической ценности работы, то она заключается в подготовленных рекомендациях. Эти рекомендации адресованы как пользователям, так и производителям. Если их внедрить, то экологический ущерб можно уменьшить на 30–40%, причем пользовательский опыт при этом практически не пострадает. Помимо этого, разработанный алгоритм помогает выбрать наиболее подходящий сценарий эксплуатации. И такой алгоритм можно встроить в мобильные приложения, чтобы информировать пользователей о том, к каким экологическим последствиям приводят их привычки при использовании устройств.