Litijeve baterije vsebujejo dragocene elemente, kot sta kobalt in nikelj, ki jih proizvajalci želijo reciklirati za ponovno uporabo, saj to zmanjšuje potrebe po rudarjenju in predelavi ter s tem znižuje stroške in emisije.
Nekatera podjetja se že ukvarjajo z recikliranjem baterij. Običajno izrabljene baterije zdrobijo v črno maso, ki jo nato stopijo ali raztopijo, da iz nje izločijo kovine.
Mehansko drobljenje
Ker so litijeve baterije v sodobnih tehnologijah postale vse bolj razširjene, se je povečalo tudi njihovo recikliranje. To je še posebej pomembno, saj so njihove sestavine zelo dragocene in omejene. Recikliranje litijevih baterijskih celic pomaga zmanjšati količino odpadkov in hkrati varčuje z energijo, ki bi se sicer porabila za proizvodnjo novih; poleg tega nam recikliranje omogoča ponovno uporabo dragocenih surovin, s čimer se zmanjša povpraševanje po novih surovinah.
Ena od metod recikliranja baterij vključuje mehansko drobljenje. Ta postopek spominja na rudarjenje, pri katerem se surovine zdrobijo na majhne koščke za nadaljnjo predelavo; to se lahko opravi ročno ali s specializiranimi stroji. Po drobljenju se lahko fragmenti, nastali pri recikliranju baterij, podvržejo postopkom kemične ločitve, mehanske ločitve in/ali taljenja, preden se ponovno uporabijo.
Drobljenje je sestavni del recikliranja litij-ionskih baterij in se lahko izvaja z mokrimi ali suhimi metodami drobljenja. Mokro drobljenje je lahko zahtevnejše, saj zaradi navlaženja različne sestavine med seboj tesneje zlepljajo, kot je zaželeno, medtem ko suho drobljenje omogoča, da pridejo v ospredje lastnosti selektivnega drobljenja izrabljenih litijevih baterij, pri čemer se aktivni katodni materiali ločijo od aluminijaste folije kolektorja, kar olajša nadaljnje postopke predelave.
Razvrščanje je še en ključni element recikliranja baterij. Razvrščanje omogoča odstranjevanje nekaterih plastičnih sestavnih delov iz baterij in ločevanje njihovih kovinskih sestavnih delov; prve je mogoče ponovno uporabiti, druge pa se uporabijo za izdelavo novih litijevih baterij. Razvrščanje se pogosto izvaja z magneti, ki pomagajo ločiti posamezne dele iz baterij.
V okviru zadnje faze recikliranja baterij poteka mehanska ločitev. Ta vključuje zračno presejanje, drobljenje in sejanje. Ta metoda ima številne prednosti, med drugim omogoča izogibanje visokim temperaturam, hkrati pa omogoča pridobivanje nekaterih najdražjih sestavin, kot sta nikelj in kobalt.
Hidrometalurška predelava
V večini obratov za recikliranje litijevih baterij se izrabljene celice najprej razvrstijo glede na njihove kemijske in fizikalne lastnosti, preden se pošljejo v hidrometalurški obrat za predelavo, kjer se iz črnih mas katodnih materialov in grafitnih anod izločajo kovine v ionski obliki. Kovine se z močnimi kislinami ali oksidanti ločijo v okside, sulfate ali hidrokside, ki se nato prodajo nazaj proizvajalcem za ponovno uporabo v novih baterijah.
Nekateri podjetja za recikliranje baterij uporabljajo tudi postopek, znan kot “pirometalurgija”. Pri tem se izrabljene baterije tri do štiri ure segrevajo v peči pri temperaturi 1.500 °C, da se izgori večina ogljikovih snovi in nastanejo mešane kovinske zlitine ter žlindra, sestavljena iz bakra, niklja, aluminija, mangana in kobalta. Na žalost ta metoda zahteva znatno porabo energije, hkrati pa omogoča izkoristek le majhnega odstotka dragocenih kovin, ki se nahajajo v baterijah.
Hidrometalurgija je inovativen nov pristop k recikliranju baterij, pri katerem se namesto visokih temperatur uporablja voda za zmanjšanje velikosti kovinskih ionov z njihovim raztapljanjem v kislini in njihovo naknadno izločanje iz raztopine. Hidrometalurgija ima številne prednosti pri recikliranju baterij – manjšo porabo energije v primerjavi s pirometalurgijo ali metodami mehanskega drobljenja, poleg tega pa je primerna za praktično vsako zasnovo celice ali kemijsko sestavo.
Podjetji Northvolt in Redwood Materials sta od javnih in zasebnih vlagateljev zbrala milijarde za izgradnjo velikih obratov za recikliranje baterij v Nevadi in Evropi, pri čemer njun cilj ni bil zgolj ustvarjanje dobička, temveč tudi zmanjšanje vpliva na okolje z zmanjšanjem emisij ogljika ter znižanje stroškov v postopkih predelave.
Biološko izluževanje, pri katerem se za raztapljanje odpadnih materialov iz baterij uporabljajo presnovni produkti mikroorganizmov, je še en obetaven pristop tako za zniževanje stroškov kot za povečanje stopenj izkoristka. Raziskovalci z Univerze v Kaliforniji so uporabili kemolitotrofne bakterije Acidithiobacillus ferrooxidans za izluževanje izrabljenega katodnega materiala LiCoO₂ iz litijevih baterij; njihovi testi so pokazali, da so bakterije proizvajale žveplovo kislino in železne ione, ki jih je bilo nato mogoče izločiti iz odpadnih materialov za namene predelave.
Kemične reakcije
Izcedna voda, proces, pri katerem deževnica pronica skozi odpadne snovi in zakisuje tla, s čimer zastruplja rastlinstvo in onesnažuje podtalnico, je treba pri recikliranju baterij preprečiti; da bi to uspešno dosegli, morajo reciklirni obrati zagotoviti, da so baterije pred vstopom v reciklirni proces popolnoma izpraznjene, sicer lahko kemikalije in kovine, ki jih vsebujejo njihove celice, uhajajo v okolje ter ogrožajo rastlinstvo in vodne vire. Da bi preprečili učinke izcedne vode, morajo podjetja za recikliranje zagotoviti, da so baterije pred recikliranjem popolnoma izpraznjene; v nasprotnem primeru bi kemikalije in kovine lahko uhajale iz celic ter onesnaževale tako ekosisteme kot vire podtalnice. Da bi preprečili nastajanje izcednih vod, morajo podjetja za recikliranje zagotoviti, da so baterije pred vstopom v proces recikliranja popolnoma izpraznjene, s čimer se zmanjša negativni vpliv na okolje in zagotovi, da med procesom recikliranja ne pride do okoljskih tveganj – sicer lahko kemikalije iz celic pronicajo v okolje prek uhajanja v vodotoke, kar povzroča učinke izcednih vod, kar povzroča zastrupitev rastlin, hkrati pa onesnažuje podtalnico prek uhajanja v podtalniške vire ali s filtriranjem deževnice skozi odpadne materiale in zakisuje tla, s čimer se zakisuje podtalnica, kar zastrupi rastline in onesnažuje podtalnico prek odpadkov, ki jih deževnica filtrira skozi odpadne filtre v podtalnico– onesnažena in zakisana tla; proces zakisanja; da bi to težavo popolnoma obvladali, je treba baterije pred vstopom v reciklacijski proces popolnoma izprazniti, sicer lahko iz njih iztečejo morebitne strupene kovine v okolje prek celic v okolje prek puščanja celic v vire podtalnice ali še huje! Za boj proti temu mora recikliranje zagotoviti, da so baterije popolnoma izpraznjene, preden vstopijo v proces recikliranja, da se zmanjša uhajanje v vire podtalnice; strupeni viri podtalnice jo tako onesnažujejo, preden zakisajo vire podtalnice in zastrupijo vire oskrbe s podtalnico; zato morajo reciklirane baterije preprečiti zakisanje podtalnice in onesnaževanje med prevozom v podtalne vire, kjer bi lahko prišlo do uhajanja v procesu razgradnje, preden se podtalnica zakisne, še preden vstopijo v drug reciklirni proces; tako se na ta način prepreči okoljska škoda, ki izhaja iz celic pred vstopom v reciklirni proces, saj bi sicer neka oblika uhajanja v podtalne vire lahko prišlo do uhajanja prek celic v podtalne vire pred vstopom v reciklirni proces, da se zagotovi, da so baterije popolnoma izpraznjene preden vstopijo v reciklacijske procese; sicer bi prišlo do uhajanja, saj bi se v nasprotnem primeru kemikalije in kovine zaradi uhajanja izlivale v okolje; zato morajo reciklatorji pred vstopom v reciklacijo zagotoviti varstvo okolja, po vstopu pa morajo preprečiti uhajanje, saj bi sicer lahko prišlo do uhajanja iz celic, kar bi omogočilo uhajanje na ta način ali pa bi lahko prišlo do uhajanja do.
Hidrometalurgija, glavna metoda recikliranja baterij, vključuje razstavljanje, drobljenje in taljenje ali raztapljanje materialov pri visoki temperaturi, da se pridobi črna praškasta masa, sestavljena iz katodnih kovin (niklja, mangana in kobalta), pomešane z litijevim hidroksidom ali karbonatom, ki se nato lahko uporabi za proizvodnjo novih litij-ionskih baterij ali proda kot surovina drugim proizvajalcem baterij.
Podjetja za recikliranje se zavedajo, da je recikliranje baterij drago in energetsko intenzivno, zato so za zmanjšanje vpliva na okolje razvila inovativne tehnike, s katerimi postane proces stroškovno učinkovitejši. Nekateri so razvili naprednejše pristope, pri katerih za pridobivanje katodnih kovin uporabljajo kemijske reakcije namesto visokih temperatur; to reciklatorjem omogoča, da uporabljajo baterije z različnimi kemijskimi sestavami, hkrati pa se izognejo stroškom, povezanim s taljenjem ali raztapljanjem materialov v tekočini.
Northvolt, švedski upravljavec obratov za recikliranje baterij, je uspešno vzpostavil en reciklažni obrat v Skelleftea, leta 2024 pa bo odprl še enega v bližini svojega proizvodnega obrata v Quebecu, kjer bo uporabljal tehnologijo Revolt Ett – ta s hidrometalurškimi postopki pretvarja nikeljeve, manganove in kobaltove sulfate v hidrokside; te reciklirane surovine se nato lahko uporabijo za proizvodnjo novih baterij podjetja Northvolt ali prodajo drugim proizvajalcem baterij za namene recikliranja.
Obrat Revolt Ett podjetja Northvolt lahko obdeluje večino kemijskih sestav baterij, pri čemer se osredotoča predvsem na tiste, ki vsebujejo nikelj in kobalt, saj je te surovine težje pridobiti kot litij-ione, ki se uporabljajo v baterijah. Northvolt razvija tudi druge metode, ki mu bodo omogočile učinkovito recikliranje več sestavnih delov baterij – kot so polimerna ohišja in anode.
Raziskovalci so dosegli napredek tudi pri obnovi katod, občutljivih kristalov, ki baterijam zagotavljajo ustrezno napetost. Študija, objavljena v reviji Joule, je pokazala, da so baterije z recikliranimi katodami delovale enako učinkovito kot tiste, izdelane iz na novo pridobljenih katod.
Neposredno recikliranje
Neposredno recikliranje je metoda, pri kateri se sestavne dele baterij neposredno pridobiva, regenerira in ponovno uporabi, ne da bi se najprej razgradila njihova kemična struktura. Kot nastajajoči pristop k recikliranju litij-ionskih baterij (LIB) lahko neposredno recikliranje znatno izboljša učinkovitost recikliranja, hkrati pa zmanjša gospodarski in okoljski odtis. Neposredno recikliranje se je izkazalo za boljše v primerjavi s pirometalurgijo ali hidrometalurgijo, če upoštevamo stroškovno učinkovitost, energetsko učinkovitost, trajnost ter ohranjanje strukture materiala, kar skrajša celotne poti recikliranja in hkrati izboljša kakovost regeneriranih materialov.
Vendar pa se ta strategija sooča s številnimi ovirami, ki ovirajo njeno praktično izvajanje, od postopkov razstavljanja, razvrščanja in ločevanja do tehnoloških omejitev in družbenih pomislekov.
Tako raziskovalci kot podjetja za recikliranje si prizadevajo razviti izboljšane tehnike neposrednega recikliranja, ki zagotavljajo komercialno izvedljivost, kot je na primer postopek švicarskega podjetja Kyburz, pri katerem se izrabljene baterije razrežejo z inovativno tehniko odstranjevanja, njihove elektrode pa se nato preoblikujejo v nove celice, zaradi česar je ta metoda učinkovitejša od tradicionalnih metod drobljenja in ločevanja.
Ta postopek je bil prilagojen različnim kemijskim sestavam litij-ionskih celic ter katodnim in anodnim materialom. Ta tehnologija naj bi povečala učinkovitost proizvodnje baterij, hkrati pa zmanjšala rudarske in predelovalne dejavnosti, ki so običajno drage, zahtevajo veliko virov in škodujejo okolju.
Prav tako je treba upoštevati, kako bi te tehnologije lahko vplivale na krožno gospodarstvo. Proizvajalci baterij morajo dati prednost prizadevanjem za recikliranje, spodbujati prizadevanja za standardizacijo in uvesti protokole za izmenjavo informacij. S tem je mogoče zmanjšati količino odpadkov ter hkrati vzpostaviti učinkovito dobavno verigo, ki globalni industriji za proizvodnjo baterij zagotavlja ključne surovine. Podjetja, ki so zainteresirana za sodelovanje z Argonne pri teh prizadevanjih, se lahko obrnejo na Jeffa Spangenbergerja, vodjo raziskovalne skupine za recikliranje materialov in reakcije v Argonne National Laboratory. Nacionalni laboratorij Argonne ponuja rešitve za pereče nacionalne probleme na področju znanosti in tehnologije prek temeljnih in aplikativnih raziskav v praktično vseh znanstvenih disciplinah. Upravlja ga podjetje UChicago Argonne LLC v imenu Urada za znanost Ministrstva za energijo.