Gjenvinning av litiumbatterier

Litiumbatterier inneholder verdifulle elementer som kobolt og nikkel, som produsentene ønsker å resirkulere for gjenbruk, fordi det reduserer behovet for gruvedrift og prosessering, noe som igjen reduserer kostnadene og utslippene.

Noen selskaper driver allerede med batterigjenvinning. De makulerer vanligvis brukte batterier til svart masse før de smelter eller løser den opp for å utvinne metaller fra den.

Mekanisk knusing

I takt med at litiumbatterier har blitt mer og mer allestedsnærværende i moderne teknologi, har også resirkuleringen av dem økt. Dette er spesielt viktig med tanke på at komponentene er svært verdifulle og begrensede. Resirkulering av litiumbattericeller bidrar til å redusere avfallsmengden og sparer energi som ellers ville gått med til å produsere nye litiumbatterier. I tillegg gjør resirkulering det mulig å gjenbruke verdifulle råvarer, noe som reduserer behovet for nye råvarer.

En metode for batterigjenvinning innebærer mekanisk knusing. Denne prosessen minner om gruvedrift, der råmaterialer brytes ned i små biter for videre bearbeiding; dette kan gjøres enten manuelt eller med spesialmaskiner. Når fragmentene fra batterigjenvinningen er knust, kan de underkastes kjemisk separasjon, mekanisk separasjon og/eller smelteprosesser før de kan tas i bruk igjen.

Knusing er et viktig trinn i resirkuleringen av litiumionbatterier, og kan utføres enten ved hjelp av våt- eller tørrknusing. Våtknusing kan være mer utfordrende fordi de ulike komponentene bindes tettere sammen enn ønskelig, mens tørrknusing lar de selektive knuseegenskapene til brukte litiumbatterier komme til sin rett, slik at aktive katodematerialer frigjøres fra oppsamlingsaluminiumsfolien og lettere kan gjenvinnes i senere prosesser.

Sortering er et annet viktig element i batterigjenvinning. Sortering kan bidra til å fjerne noen av plastkomponentene som finnes i batteriene, og samtidig isolere metallkomponentene, slik at førstnevnte kan gjenbrukes, mens sistnevnte bestanddeler brukes til å lage nye litiumbatterier. Sortering utføres ofte ved hjelp av magneter som bidrar til å skille ut enkeltdeler fra batteriene.

Som en del av det siste trinnet i batterigjenvinningen skjer det mekanisk separering. Dette inkluderer luftsikting, knusing og sikting. Denne metoden har mange fordeler, for eksempel at man unngår høye temperaturer samtidig som man gjenvinner noen av de mest kostbare komponentene, som nikkel og kobolt.

Hydrometallurgisk prosessering

På de fleste gjenvinningsanlegg for litiumbatterier blir brukte celler først separert basert på kjemiske og fysiske egenskaper, før de sendes til et hydrometallurgisk prosessanlegg for utvinning av metaller i ionisk form fra svarte masser av katodematerialer og grafittanoder. Metallene separeres ved hjelp av sterke syrer eller oksidasjonsmidler til oksider, sulfater eller hydroksider, som senere selges tilbake til produsentene for gjenbruk i nye batterier.

Noen batterigjenvinnere benytter også en prosess som kalles "pyrometallurgi". Det innebærer at brukte batterier varmes opp i en ovn ved 1500 grader C i tre til fire timer for å brenne bort det meste av det karbonbaserte materialet og produsere blandede metallegeringer og slagg bestående av kobber, nikkel, aluminium, mangan og kobolt. Dessverre krever denne metoden et betydelig energiforbruk, samtidig som den bare gjenvinner en liten andel av de verdifulle metallene som finnes i batteriene.

Hydrometallurgi er en innovativ ny tilnærming til batterigjenvinning som benytter vann i stedet for høye temperaturer for å redusere metallionstørrelsen ved å løse dem opp i syre og deretter trekke dem ut av løsningen. Hydrometallurgi har mange fordeler når det brukes som en del av batterigjenvinning - mindre energiforbruk sammenlignet med både pyrometallurgi og mekaniske knusemetoder, i tillegg til at den egner seg for praktisk talt alle celledesign eller kjemiske sammensetninger.

Northvolt og Redwood Materials har samlet inn milliarder av kroner fra både offentlige og private investorer for å bygge store batterigjenvinningsanlegg i Nevada og Europa, ikke bare med tanke på profitt, men også for å minimere miljøpåvirkningen gjennom reduksjon av karbonutslipp og kostnadskutt i gjenvinningsprosessen.

Biolakking, der man bruker mikroorganismers metabolske produksjon til å løse opp avfallsmaterialer fra batterier, er en annen lovende metode for både å redusere kostnadene og øke gjenvinningsgraden. Forskere fra University of California brukte Acidithiobacillus ferrooxidans kjemolitotrofe bakterier til å lakke ut brukt LiCoO2-katodemateriale fra litiumbatterier. Testene viste at de produserte svovelsyre og jernioner, som deretter kunne utvinnes fra avfallsmaterialet for gjenvinningsformål.

Kjemiske reaksjoner

Når batterier resirkuleres, må man forhindre at det oppstår sigevann, en prosess der regnvann filtreres gjennom avfallsmaterialer og forsurer jordsmonnet, forgifter plantelivet og forurenser grunnvannet. For å lykkes med dette må gjenvinningsbedriftene sørge for at batteriene er helt utladet før de går inn i resirkuleringsprosessen, ellers kan kjemikalier og metaller som finnes i battericellene slippe ut i miljøet og true plantelivet og vannforsyningen. For å bekjempe effektene av sigevann må gjenvinningsbedriftene sørge for at batteriene er helt utladet før de resirkuleres, ellers kan kjemikalier og metaller i battericellene slippe ut i miljøet og forurense både økosystemer og grunnvannskilder. For å hindre at det oppstår sigevann, må gjenvinningsbedriftene sørge for at batteriene er helt utladet før de går inn i resirkuleringsprosessen for å minimere de negative miljøkonsekvensene og sikre at det ikke oppstår miljøfarer under resirkuleringsprosessen - hvis ikke, kjemikaliene i cellene kan sive ut i miljøet gjennom lekkasje til vannveier og forårsake forgiftning av plantelivet mens de forurenser grunnvannet forurensning gjennom lekkasje til grunnvannskilder eller ved å filtrere regnvann filtrering gjennom avfallsmaterialer og forsure jorden forsuret grunnvannet forurensning og dermed forgifte plantelivet mens de forurenser grunnvannet forurensning gjennom avfallsmaterialer filtrert gjennom regnvann filtreres gjennom avfall filtreres gjennom avfall filtreres i grunnvannet forurenset forsuret jorden forsuringsprosessen for å kontrollere dette problemet helt utladet før de går inn i resirkuleringsprosessen ellers lekker de ut, kan giftige metaller inni lekke ut i miljøet gjennom cellene og ut i miljøet via cellelekkasje til grunnvannskilder eller verre! For å bekjempe dette må resirkuleringen sikre at batteriene er helt utladet før de går inn i resirkuleringsprosessen for å minimere lekkasje til grunnvannskilder, og dermed forurense grunnvannskildene før de forsurer grunnvannskildene og forgifter grunnvannskildene; slik at resirkulerte batterier må forsure grunnvannsforurensning i løpet av transport til grunnvannskilder som lekker gjennom for å bryte ned prosessen før forsurede grunnvannskilder før de går inn i resirkulering i en annen resirkuleringsprosess, slik at miljøskader på denne måten fra inne i cellene før de går inn i resirkuleringsprosessen og etterlater en eller annen form for lekkasje til grunnvannskilder som lekkasje ut lekkasje via lekkasje til grunnvannskilder før de går inn i resirkuleringsprosessen for å sikre at batteriene er helt utladet før de går inn i resirkuleringsprosesser, ellers vil lekkasje på annen måte skje fordi kjemikaliene og metallene ellers lekker ut i miljøet på grunn av lekkasje før de går inn i resirkulering, må gjenvinnere sikre miljøet etter at de har kommet inn i resirkuleringen, slik at gjenvinnere må sørge for å forhindre lekkasje der ute, ellers vil lekkasje fra celle til celle kunne lekke ut, slik at lekkasje kan lekke ut på denne måten, ellers kan det lekke ut til.

Hydrometallurgi, som er den primære metoden for batterigjenvinning, innebærer demontering, fragmentering og smelting eller oppløsning av materialer ved høy varme for å produsere en pulveraktig, svart masse bestående av katodemetaller (nikkel, mangan og kobolt) blandet med litiumhydroksid eller -karbonat, som deretter kan brukes til å produsere nye litiumionebatterier eller selges som råmateriale til andre batteriprodusenter.

Resirkuleringsbedriftene erkjenner at det er kostbart og energikrevende å resirkulere batterier, så for å redusere miljøpåvirkningen har de utviklet innovative teknikker for å gjøre prosessen mer kostnadseffektiv. Noen har utviklet mer sofistikerte metoder som bruker kjemiske reaksjoner i stedet for høye temperaturer for å gjenvinne katodemetaller. Dette gjør det mulig for gjenvinnere å utnytte ulike batterikjemikalier samtidig som de unngår kostnadene forbundet med å smelte eller løse opp materialer i væske.

Northvolt, en svensk operatør av batterigjenvinningsanlegg, har etablert et gjenvinningsanlegg i Skellefteå og vil åpne et nytt i nærheten av produksjonsanlegget i Quebec i 2024 ved hjelp av Revolt Ett-teknologien - som omdanner nikkel-, mangan- og koboltsulfater til hydroksider ved hjelp av hydrometallurgiske prosesser; deretter kan disse resirkulerte materialene enten brukes til å lage Northvolts egne nye batterier eller selges til andre batteriprodusenter for gjenvinning.

Northvolts Revolt Ett-anlegg kan håndtere de fleste batterikjemier, med hovedfokus på batterier som inneholder nikkel og kobolt, ettersom disse materialene er vanskeligere å få tak i enn litiumioner som brukes i batterier. Northvolt arbeider med andre metoder som vil gjøre det mulig å resirkulere flere batterikomponenter - som polymerhus og anoder - på en effektiv måte.

Forskerne har også gjort fremskritt når det gjelder å renovere katoder, den delikate krystallen som forsyner batteriene med riktig spenning. En studie publisert i Joule viste at batterier med resirkulerte katoder fungerte like effektivt som batterier laget av nye katoder.

Direkte resirkulering

Direkte resirkulering er en metode som direkte gjenvinner, regenererer og gjenbruker batterikomponenter uten først å demontere den kjemiske strukturen. Direkte resirkulering er en ny metode for resirkulering av litiumionebatterier (LIB), og den kan øke resirkuleringseffektiviteten betydelig og samtidig minimere det økonomiske og miljømessige fotavtrykket. Direkte resirkulering har vist seg å være mer verdt enn pyrometallurgi eller hydrometallurgi når det gjelder kostnadseffektivitet, energieffektivitet, bærekraft og bevaring av materialstrukturen, noe som forkorter den totale resirkuleringsveien og samtidig forbedrer kvaliteten på de regenererte materialene.

Men denne strategien står overfor en rekke barrierer som hindrer den praktiske gjennomføringen, fra demontering, sortering og separasjonsprosesser til teknologiske begrensninger og samfunnsmessige bekymringer.

Både forskere og resirkuleringsfirmaer jobber hardt for å utvikle forbedrede teknikker for direkte resirkulering som sikrer kommersiell levedyktighet, for eksempel Kyburz' sveitsiske prosess for å sage opp utrangerte batterier ved hjelp av en innovativ strippeteknikk og deretter omforme elektrodene til nye celler, noe som gjør denne metoden mer effektiv enn tradisjonelle fragmenterings- og separasjonsmetoder.

Denne prosessen er tilpasset ulike LIB-cellekjemier, samt katode- og anodematerialer. Teknologien skal øke effektiviteten i batteriproduksjonen og samtidig redusere gruvedrift og prosessering, som vanligvis er kostbart, ressurskrevende og miljøskadelig.

Det bør også vurderes hvordan disse teknologiene kan påvirke en sirkulær økonomi. Batteriprodusentene må prioritere resirkulering, fremme standardisering og implementere protokoller for deling av informasjon. På denne måten kan man redusere avfallet og samtidig skape en effektiv forsyningskjede som leverer viktige råmaterialer til den globale batteriproduksjonsindustrien. Bedrifter som er interessert i å samarbeide med Argonne om dette arbeidet, kan kontakte Jeff Spangenberger, Research Group Leader for Materials Recycling and Reactions Group ved Argonne National Laboratory. Argonne National Laboratory tilbyr løsninger på presserende nasjonale problemer innen vitenskap og teknologi gjennom grunnleggende og anvendt forskning innen praktisk talt alle vitenskapelige disipliner. Drives av UChicago Argonne LLC på vegne av Department of Energy Office of Science.