Håndtering af Li-ion-dilemmaet: Bortskaffelse af defekte battericeller i en stadig mere elektrificeret verden

Det er en velkendt kendsgerning, at forbrænding af fossile brændstoffer påvirker vores miljø. Ud over kulstof indeholder disse brændstoffer også hydrogen, nitrogen og svovl. Når de brændes, frigiver fossile brændstoffer en blanding af kulilte, kuldioxid og vand samt nitrogen- og svovloxider. Disse stoffer, især giftige i høje koncentrationer, udgør alvorlige trusler mod sundhed og sikkerhed. I særdeleshed er udledningen af kuldioxid en væsentlig bidragyder til den globale opvarmning, hvilket understreger den miljømæssige påvirkning af forbrænding af fossile brændstoffer.

Behovet for at bevæge sig væk fra fossile brændstoffer har resulteret i en eksponentielt stigende efterspørgsel efter batterier. I takt med denne tendens forudser forskerne den globale batterimarkedstørrelse at vokse fra 112 mia. USD i 2021 til 424 mia. USD i 2030. Markedet omfatter flere batterikategorier, såsom lithium-ion, zink-mangan-dioxid, bly-syre, nikkel-metalhydrid, nikkel-kadmium, natrium-svovl, nikkel-zink, små forseglede bly-syre, flow‑batterier og andre.

Dog udgør lithium‑ion‑ og bly‑syrabatter den største andel af dette batterimarked, mens de øvrige kategorier kun udgør en lille del.

Ser vi på den globale markedstørrelse på 424 mia. USD for 2023, vil mere end 257 mia. USD, over 60 % af hele batterimarkedet, blive optaget af lithium‑ion‑batterier. Mere end 121 mia. USD, 27 % af markedet, vil blive optaget af bly‑syrabatter. Disse to kategorier udgør tilsammen over 87 % af markedet, hvilket efterlader næsten 13 % til de øvrige kategorier.

Hvor anvendes disse batterier?

Lithium‑ion‑batterier findes almindeligt i de fleste bærbare forbrugerelektronikprodukter omkring os, herunder mobiltelefoner og bærbare computere. De er også det primære valg for størstedelen af fuldt elektriske køretøjer og plug‑in‑hybrider, som vokser hurtigt i udbredelse.

Bly‑syrabatter er derimod ikke så effektive som lithium‑ion‑batterier. De har lav specifik energi, klarer sig dårligt ved lave temperaturer og har en kortere levetid. Deres udbredte anvendelse skyldes primært deres lave omkostninger. Der er dog i dag en løbende udvikling af avancerede bly‑syrabatter til brug i kommercielle elektrisk drevne køretøjer til sekundære belastninger.

Nikkel‑metalhydrid‑batterier anvendes i computere og medicinsk udstyr og spiller også en væsentlig rolle i hybrid‑elektriske køretøjer. Med den stadige stigning i brugen af elektroniske produkter og den vedvarende vækst i elektriske køretøjers markedsandel vil brugen af batterier uundgåeligt stige.

Disse batterier har dog en begrænset holdbarhed og skal til sidst bortskaffes. Dette udgør en udfordring i en stadig mere elektrificeret verden – bortskaffelse af defekte battericeller. Der findes løsninger, men før vi udforsker dem nærmere, er det vigtigt at undersøge årsagen mere grundigt.

Batteriers holdbarhed: En kort oversigt

Batterier kan variere i kapacitet, anvendelsesområde og materialer, de er sammensat af. Hver faktor påvirker, hvor længe et batteri bør holde. Den mest populære batterikategori er lithium‑ion. Og elektriske køretøjer er den anvendelseskategori, der bruger disse batterier i stor skala.

Batterierne, som el‑biler bruger, ligner dem, der anvendes i vores mobiltelefoner og bærbare computere. De har mange fordele, herunder høj energi pr. enhedsmasse og -volumen sammenlignet med andre elektriske energilagringssystemer, højt effekt‑til‑vægt‑forhold, høj energieffektivitet, effektiv ydeevne ved høje temperaturer, lang levetid og lav selvafladning.

El‑batterier i biler benytter pakker, der består af mere end to tusinde individuelle lithium‑ion‑celler, der arbejder sammen. Hver batteripakke er konstrueret til at bevare sin opladnings‑ og afladningskapacitet i op til mellem 160.000 og 320.000 km (100.000–200.000 miles). Målt i år har de fleste el‑batterier en forventet levetid på 15 til 20 år i bilen.

Risiciene ved bortskaffelse af defekte battericeller

Ifølge United States Environmental Protection Agency klassificeres de fleste lithium‑ion‑batterier som farligt affald under Resource Conservation and Recovery Act (RCRA). Når de kasseres, er disse batterier ofte brandbare og reaktive. Selvom de ser ud til at være fuldstændigt afladet og kan kasseres af brugeren, bevarer Li‑ion‑batterier ofte betydelige ladninger, hvilket udgør en fare.

Desuden kan beskadigede og ikke fuldstændigt forseglede lithium‑batterier være ekstremt farlige, hvis de kommer i kontakt med vand under bortskaffelse. Det betydelige metalindhold i Li‑ion‑batterier, som er svært at fjerne og skadeligt for miljøet, forstærker bekymringen.

En videnskabelig vurderingsrapport har påpeget, at Li‑ion‑batterier indeholder høje koncentrationer af aluminium, kobolt og kobber. Yderligere undersøgelser afslører den farlige karakter af defekte Li‑ion‑batterier på grund af deres blyindhold (gennemsnit 6,29 mg/L; σ = 11,1; grænse 5).

Ifølge californiske regler kvalificerer tilstedeværelsen af overdrevne niveauer af kobolt (gennemsnit 163.544 mg/kg; σ = 62.897; grænse 8.000), kobber (gennemsnit 98.694 mg/kg; σ = 28.734; grænse 2.500) og nikkel (gennemsnit 9.525 mg/kg; σ = 11.438; grænse 2.000) alle lithium‑batterier som farlige.

Udløsningskoncentrationerne af krom, bly og thallium i disse batterier overstiger også de californiske reguleringsgrænser. Ud over at forårsage toksicitet for mennesker og den omkringliggende økologi medfører Li‑ion‑batterier også ressourceudtømning, en alvorlig bekymring for vores fremtid.

Klik her for at lære alt om batteriteknologien.

Hvordan kan man genanvende defekte battericeller?

De farer, som bortskaffelse af defekte battericeller udgør, kræver genanvendelse. Dog kan genanvendelse af et defekt batteri være farligt. Forkert håndtering af defekte battericeller kan forårsage kortslutning, brand og frigive giftige gasser.

Nøglen ligger i effektive genanvendelsesmetoder, som ikke kun kan forhindre forurening, men også skabe muligheder for at generere en bæredygtig sekundær strøm af kritiske materialer. En sådan effektiv metode til genanvendelse af lithium‑ion‑batterier er blevet udviklet af forskere ved Department of Energy’s Oak Ridge National Library.

Løsningen indebærer at nedsænke det brugte batteri i en opløsning af naturligt forekommende citronsyre, som findes i citrusfrugter. Citronsyreopløsningen opløses i ethylenglycol, og blandingen hjælper med at gennemføre en yderst effektiv separations‑ og genvindingsproces for at adskille metaller fra katoden, den positivt ladede elektrode i batteriet.

En effektiv genvindingsproces for katoden betyder lavere batteriomkostninger, da katoden udgør mere end 30 % af batteriets pris på grund af de kritiske materialer, den indeholder. Genanvendelsesmetoden kan udvinde næsten alt kobolt og lithium fra katoden uden at gøre systemet uren. Den kan genvinde mere end 96 % af kobolt på få timer. Der er ingen grund til at tilsætte flere kemikalier for manuelt at balancere syreniveauerne.

Ifølge Lu Yu, hovedforsker i projektet:

 “Dette er første gang, et løsningssystem har dækket både udvinding og genvinding.”

Udover sådanne laboratoriebaserede forskningsindsatser, som vil blive skaleret til produktion i fremtiden, har flere virksomheder allerede påtaget sig opgaven med at genanvende defekte og bortskaffede lithium‑ion‑batterier. Vi vil se på nogle af dem i de følgende segmenter.

1. American Battery Technology Company

American Battery Technology Company (ABAT ) har udviklet en lukket kredsløb batterigenanvendelsesproces til at adskille og genvinde kritiske materialer fra batterier, der nærmer sig slutningen af deres brugbare levetid. Deres indsats stopper dog ikke ved separation og genvinding.

Processen indebærer at rense disse batterimetaller til samme eller højere kvalitetsstandarder. Ifølge virksomheden har deres system flere konkurrencedygtige fordele. Det strategiske design sikrer nul højtemperaturoperationer og forhindrer emission af luft- og væskeforurenende stoffer. Desuden matcher genanvendelsesfaciliteterne produktionsfaciliteterne i gennemløb, hvilket genererer minimal affald og kræver lave kapitalomkostninger ved opstart.

Første kvartal af 2024‑årsrapporten, som virksomheden har offentliggjort, opregnede deres vigtigste milepæle mod indtægtsgenererende drift. Bemærkelsesværdigt har virksomheden designet, sat i drift og påbegyndt operationer på deres første kommercielle genanvendelsesanlæg i stor skala, med en nominelt gennemløb på 20.000 ton pr. år.

Virksomheden sikrede også to DOE‑tilskud fra USA under kontrakt og blev for nylig berettiget til yderligere to tilskud, i alt 70 mio. USD i kontraheret føderal støtte. Den noteret sine aktier og begyndte handel på Nasdaq den 21. september 2023.

På tidspunktet for denne skrivning var American Battery Technology Companys aktiekurs $3,99, og markedsværdien var over $188 millioner.

2. Lithion Technologies

Lithion Technologies producerer bæredygtigt strategiske materialer fra Li‑ion‑batterier. Deres teknologi kan genvinde op til 95 % af komponenterne i disse batterier.

I den mekaniske udvinding kan Lithion genvinde mere end 98 % af mineralkoncentratet. Det kritiske mineralkoncentrat behandles derefter gennem deres patenterede hydrometallurgiteknologi. Denne proces muliggør genvinding af vigtige materialer såsom lithium, kobolt, nikkel, grafit og mangan.

Bemærkelsesværdigt hævder Lithion, at deres teknologier medfører en betydeligt mindre miljøpåvirkning sammenlignet med traditionel minedrift. Deres drivhusgasemissioner er 75 % lavere end ved minedrift, og de reducerer desuden vandforbruget med imponerende 90 %.

I april 2022 modtog Lithion $22,5 millioner i finansiering fra Québecs regering, herunder en egenkapitalinvestering på 15 millioner i virksomhedens aktiekapital gennem Investissement Québec og $7,5 millioner i tilskud fra Fonds d’électrification et de changements climatiques.

3. Ecobat

Ecobat opererer gennem et omfattende netværk af 65.000 indsamlingssteder for at håndtere batterier i slutningen af deres livscyklus som en del af deres genanvendelsesløsninger for energilagring. De har indtil videre opnået næsten 15.000 medlemmer eller kunder og genanvender 120 millioner batterier om året.

For indsamling fra de udpegede steder har Ecobat sin egen flåde på 100 køretøjer. Med 11 smelteanlæg håndterer de lithium‑batterier, bly‑batterier og andre batterikemi. Ecobat har også en lukket kredsløb cirkulær genvindingsproces, hvor 80 % af deres genvinding vender tilbage til batteriproduktion. De lover også en genanvendelsesprocent på 99 %.

Ecobat hævder selv at være verdens største batteri‑’genanvender, der opfylder essentielle energilagringsbehov ved at gøre batteribranchen sikrere og mere bæredygtig for en cirkulær energiekonomi.’ I 2021 genanvendte Ecobats bly‑batteri‑forretning 70 millioner bilbatterier fuldstændigt.

4. Cirba Solutions

Cirba Solutions har samlet 60 års genanvendelseserfaring med tre mærker – Battery Solutions, Heritage Battery Recycling og Retriev Technologies – under sin paraply. De er en af pionererne inden for genanvendelse af lithium‑batterier med deres eget batterigenanvendelsesteam, batteri‑centreret logistik, lukket kredsløb livscyklus og lithium‑behandlingsfaciliteter.

Virksomheden har en specialiseret genanvendelsesproces, der involverer tvær‑kemiske løsninger for både kobolt‑baserede og ikke‑kobolt‑baserede komponenter. Indtil nu har de behandlet mere end 36 millioner pund af lithium‑ion i over 30 år.

Ifølge de seneste tilgængelige data har Cirba rejst US$50 millioner i deres seneste kapitalrunde den 9. februar 2023.

Bortskaffelse af defekte battericeller: Fremtidsperspektivet

Tilstedeværelsen af lithium‑ion‑batterier, som er nødvendige for at drive el‑biler og forsyne moderne forbrugerelektronik, vil kun blive mere og mere udbredt. Statistisk set vil den globale efterspørgsel efter lithium‑ion‑batterier mellem 2022 og 2030 stige næsten syv‑fold og nå 4,7 TWh i 2030.

Hvad angår produktion har Kina kontrol over mere end tre fjerdedele af verdens kapacitet. Nordamerika og Europa vil ikke være langt bagefter, da de også sigter mod en betydelig opskalering af produktionen. Derfor vil konsoliderede og velkoordinerede globale indsatser være nødvendige for at sikre, at batterigenanvendelse bliver en tilgængelig og bæredygtig proces, og først da kan vi redde verden fra forurening og ressourceudtømmelsesrisici.

Kina holder for eksempel bilproducenter ansvarlige for ‘slut‑livsbehandlingen’ af køretøjsbatterier. Den Europæiske Union er ikke langt bagefter, da den også har fastsat standarder for indsamling og genvinding af batterier.

Flere og flere innovationer inden for sekundær‑livsanvendelser af disse batterier vil hjælpe med at undgå de umiddelbare farer ved ineffektiv genanvendelse. Lad os afslutte med at se på et sådant eksempel. Et energilagringssystem i Johan Cruijff Arena i Amsterdam udnytter ækvivalenten af 148 nye og brugte Nissan LEAF‑batterier til at indfange energi fra 4.200 solpaneler og lagre op til 3 megawatt strøm. Denne indfangning er nok til at oplade en halv million iPhones som backup.

Afslutningsvis kræver opnåelsen af målene på globalt plan aktiv deltagelse fra alle. Bilproducenter, producenter af forbrugerelektronik, globale økonomiske organer, nationale råd – alle skal bidrage til den bæredygtige og effektive genanvendelse og genvinding af defekte battericeller.

Klik her for at lære, hvordan el‑biler ikke kun kan hjælpe jorden, men også redde liv.