Li‑ion‑dilemman ratkaiseminen: Defunktioiden akkupäätteiden hävittäminen yhä sähköistymässä olevassa maailmassa

On hyvin tunnettu tosiasia, että fossiilisten polttoaineiden polttaminen vaikuttaa ympäristöömme. Nämä polttoaineet koostuvat pelkän hiilen lisäksi myös vedystä, typestä ja rikki­stä. Poltettaessa fossiilinen polttoaine vapauttaa seoksen hiilimonoksidia, hiilidioksidia ja vettä sekä typpi‑ ja rikkidioksideja. Nämä aineet, erityisesti suurina pitoisuuksina myrkylliset, aiheuttavat vakavia terveys‑ ja turvallisuusriskejä. Merkittävää on, että hiilidioksidipäästöt ovat merkittävä globaali lämpenemisen aiheuttaja, mikä korostaa fossiilisten polttoaineiden polttamisen ympäristövaikutuksia.

Tarve siirtyä pois fossiilisista polttoaineista on johtanut eksponentiaaliseen akkujen kysynnän kasvuun. Tämä trendi heijastuu siinä, että tutkijat ennustavat globaalin akumarkkinan koon kasvavan 112 miljardiin Yhdysvaltain dollaria vuonna 2021 424 miljardiin dollaria vuoteen 2030 mennessä. Markkina kattaa useita akkutyyppejä, kuten litium‑ioni, sinkki‑mangaanidioksidi, lyijyakku, nikkeli‑metallihydridi, nikkeli‑kadmium, natrium‑rikkidioksidi, nikkeli‑sinkki, pienet suljetut lyijyakut, virtausakut ja muita.

Kuitenkin litium‑ioni- ja lyijyakut muodostavat suurimman osan tästä akkumarkkinasta, jättäen pitkän hännän muille kategorioille.

Jos tarkastelemme vuoden 2023 424 miljardia dollaria suurta markkinakokoa, yli 257 miljardia dollaria, yli 60 % koko akkumarkkinasta, on litium‑ioniakkujen hallussa. Yli 121 miljardia dollaria, 27 % markkinasta, on lyijyakkujen hallussa. Nämä kaksi kategoriaa yhdessä kattavat yli 87 % markkinasta, jättäen lähes 13 % muille kategorioille kilpailua varten.

Missä näitä akkuja käytetään?

Litium‑ioniakkuja löytyy yleisesti useimmista kannettavista kuluttajaelektroniikkalaitteista, kuten matkapuhelimista ja kannettavista tietokoneista. Ne ovat myös ensisijainen valinta suurimmalle osalle täyssähköautoja ja plug‑in‑hybridiautoja, jotka kasvattavat markkinaosuuttaan merkittävästi.

Lyijyakut sen sijaan eivät ole yhtä tehokkaita kuin litium‑ioniakut. Niillä on alhainen ominaisenergia, ne eivät suoriudu hyvin matalissa lämpötiloissa ja niiden elinkaari on lyhyempi. Niiden laaja käyttö johtuu pääasiassa alhaisesta hinnasta. Kuitenkin kehittyy edistyneitä lyijyakkuja – näinä päivinä – kaupallisiin sähköajoneuvoihin lisäkuormituksena.

Nikkeli‑metallihydridiakkuja käytetään tietokoneissa ja lääketieteellisissä laitteissa, ja ne ovat myös merkittäviä hybridisähköajoneuvoissa. Elektronisten laitteiden käytön tasaisen kasvun ja sähköajoneuvojen markkinaosuuden jatkuvan nousun myötä akkujen käyttö tulee väistämättä lisääntymään.

Nämä akut kuitenkin omaavat rajoitetun säilyvyysajan ja ne on lopulta hävitettävä. Tämä asettaa haasteen yhä sähköistyvässä maailmassa – defunktioiden akkupäätteiden hävittäminen. Ratkaisuja on olemassa, mutta ennen niiden tarkempaa tarkastelua on tärkeää tutkia perimmäistä syytä syvemmin.

Akun säilyvyys: lyhyt katsaus

Akut voivat erota kapasiteetiltaan, käyttökohteeltaan ja koostumuksensa materiaaliltaan. Jokainen tekijä vaikuttaa siihen, kuinka kauan akun tulisi kestää. Suosituin akkukategoria on litium‑ioni. Sähköajoneuvot ovat käyttöalue, jossa näitä akkuja hyödynnetään laajassa mittakaavassa.

Sähköajoneuvojen käyttämät akut muistuttavat mobiililaitteissamme ja kannettavissa tietokoneissamme käytettyjä akkuja. Niillä on monia etuja, kuten korkea energiasisältö massan ja tilavuuden suhteen muihin sähköenergiaa varastoiviin järjestelmiin verrattuna, korkea teho‑painosuhde, korkea energiatehokkuus, tehokas suorituskyky korkeissa lämpötiloissa, pitkä käyttöikä ja alhainen oma‑purkautuminen.

Sähköajoneuvojen akut hyödyntävät paketteja, jotka koostuvat yli kahdestatuhannesta yksittäisestä litium‑ioni‑solusta, jotka toimivat yhdessä. Jokainen akkupaketti on suunniteltu säilyttämään lataus‑purkauskykynsä 100 000–200 000 mailin välillä. Mitattuna vuosina, useimpien sähköajoneuvojen akkujen käyttöikä on 15–20 vuotta ajoneuvossa.

Defunktioiden akkupäätteiden hävittämisen riskit

Yhdysvaltain ympäristönsuojeluviraston (EPA) mukaan suurin osa litium‑ioniakuista luokitellaan vaaralliseksi jätteeksi resurssien säilyttämistä ja palauttamista koskevan lain (RCRA) mukaan. Kun ne heitetään pois, nämä akut ovat usein syttyviä ja reaktiivisia. Vaikka ne näyttävät olevan täysin purkautuneita ja käyttäjän mielestä heitettävissä, litium‑ioniakut säilyttävät usein merkittävän varauksen, mikä aiheuttaa vaaran.

Lisäksi vaurioituneet eikä täysin suljetut litiumakut voivat olla äärimmäisen vaarallisia, jos ne joutuvat kosketuksiin veden kanssa hävityksen aikana. Litium‑ioniakkujen merkittävä metallipitoisuus, jonka poistaminen on vaikeaa ja joka on haitallista ympäristölle, lisää huolta.

Tieteellinen arviointiraportti on korostanut, että litium‑ioniakut sisältävät suuria pitoisuuksia alumiinia, kobolttia ja kuparia. Lisätutkimukset paljastavat defunktioiden litium‑ioniakkujen vaarallisuuden niiden lyijypitoisuuden (keskiarvo 6,29 mg/L; σ = 11,1; raja 5).

Kalifornian säädösten mukaan liialliset koboltin (keskiarvo 163 544 mg/kg; σ = 62 897; raja 8 000), kuparin (keskiarvo 98 694 mg/kg; σ = 28 734; raja 2 500) ja nikkelin (keskiarvo 9 525 mg/kg; σ = 11 438; raja 2 000) pitoisuudet luokittelevat kaikki litiumakut vaarallisiksi.

Näiden akkujen kromi-, lyijy- ja talliumipitoisuudet ylittävät myös Kalifornian sääntelyn raja-arvot. Laitteiden aiheuttaman myrkyllisyyden lisäksi litium‑ioniakut johtavat myös resurssien ehtymiseen, mikä on vakava huolenaihe tulevaisuudellemme.

Klikkaa tästä oppiaksesi kaiken akkuteknologiasta.

Kuinka defunktioiden akkupäätteiden kierrätys tapahtuu?

Defunktioiden akkupäätteiden hävittämisen aiheuttamat vaarat edellyttävät kierrätystä. Kuitenkin defunktioiden akkujen kierrättäminen voi olla vaarallista. Virheellinen käsittely voi aiheuttaa oikosulun, palamisen ja myrkyllisten kaasujen vapautumisen.

Avain on tehokkaissa kierrätysmenetelmissä, jotka eivät ainoastaan estä saastumista, vaan myös luovat mahdollisuuksia kestävän kriittisten materiaalien toissijaisen virtauksen tuottamiseen. Yksi tällainen tehokas litium‑ioniakkujen kierrätysmenetelmä on kehitetty Yhdysvaltain energiaministeriön Oak Ridge National Library -laitoksessa työskentelevien tutkijoiden toimesta.

Ratkaisu sisältää kuluneen akun liottamisen luonnollisesti esiintyvän sitruunahapon liuoksessa, joka löytyy sitrushedelmistä. Sitruunahappoliuos liuotetaan etyleeniglykoliin, ja seos mahdollistaa erittäin tehokkaan metallien erottelu- ja talteenottoprosessin katodin, eli akun positiivisesti varautuneen elektrodin, metallien erottamiseksi.

Tehokas katodin talteenottoprosessi tarkoittaa alhaisempia akkujen kustannuksia, koska katodi muodostaa yli 30 % akkujen hinnasta kriittisten materiaalien vuoksi. Kierrätysmenetelmä pystyy liuottamaan lähes kaiken koboltin ja litiumin katodista ilman, että järjestelmä saastuu. Se voi talteenottaa yli 96 % koboldista tunteina. Lisäkemikaaleja ei tarvitse lisätä happotason manuaalista tasapainottamista varten.

Lu Yu:n, projektin päätutkijan, mukaan:

 “This is the first time one solution system has covered the functions of both leaching and recovery.”

Laboratoriopohjaisten tutkimusponnistusten lisäksi, jotka skaalataan tulevaisuudessa tuotantoon, useat yritykset ovat jo ryhtyneet kierrättämään defunktioita ja hävitettyjä litium‑ioniakkuja. Tarkastelemme joitakin niistä seuraavissa osioissa.

1. American Battery Technology Company

American Battery Technology Company (ABAT ) on kehittänyt suljetun kierron akkujen kierrätysprosessi erottamaan ja talteenottamaan kriittisiä materiaaleja akkujen, jotka lähestyvät käyttöikänsä loppua. Kuitenkin heidän ponnistelunsa eivät lopu pelkästään erotteluun ja talteenottoon.

Prosessi sisältää näiden akkumetallien puhdistamisen samankaltaisiin tai korkeampiin laatuvaatimuksiin. Yrityksen mukaan sen järjestelmä tarjoaa useita kilpailuetuja. Strateginen suunnittelu takaa nollakorkealämpötilatoiminnot ja estää ilman- ja nestepäästöjen syntymisen. Lisäksi kierrätyslaitokset vastaavat valmistuslaitosten läpimenoa, tuottaen minimaalisia jätteitä ja vaativat alhaiset pääomakustannukset käyttöönotossa.

Yrityksen julkaisema vuoden 2024 ensimmäisen neljänneksen talousraportti listasi sen keskeiset virstanpylväät kohti tulonluovia toimintoja. Merkittävää on, että yritys on suunnitellut, käyttöönottanut ja aloittanut toimintansa ensimmäisessä kaupallisessa mittakaavassa toimivassa kierrätyslaitoksessa, jonka nimellinen läpimeno on 20 000 metristä tonnia vuodessa.

Yritys on myös saanut kaksi Yhdysvaltain DOE:n granttia sopimuksen perusteella ja on äskettäin oikeutettu kahteen lisägranttiin, yhteensä 70 miljoonaa Yhdysvaltain dollaria liittovaltion sopimuksena. Se listasi osakkeensa menestyksekkäästi ja aloitti kaupankäynnin Nasdaqissa 21. syyskuuta 2023.

Kirjoitushetkellä American Battery Technology Companyn osakekurssi oli 3,99 $ ja markkina-arvo yli 188 miljoonaa dollaria.

2. Lithion Technologies

Lithion Technologies tuottaa kestävästi strategisia materiaaleja litium‑ioniakuista. Sen teknologia pystyy talteenottamaan jopa 95 % näiden akkujen komponenteista.

Mekaanisessa uutossa Lithion voi palauttaa yli 98 % mineraalikonsentraatista. Kriittinen mineraalikonsentraatti käsitellään sen patentoidun hydrometallurgian teknologian kautta. Tämä prosessi mahdollistaa tärkeiden materiaalien, kuten litiumin, koboltin, nikkelin, grafiitin ja mangaanin, talteenoton.

Huomionarvoista on, että Lithion väittää teknologioidensa aiheuttavan merkittävästi pienemmän ympäristövaikutuksen perinteiseen kaivannaisteollisuuteen verrattuna. Niiden kasvihuonekaasupäästöt ovat 75 % pienemmät kuin kaivannaisteollisuuden, ja ne vähentävät veden käyttöä vaikuttavalla 90 %:lla.

Huhtikuussa 2022 Lithion sai 22,5 miljoonaa dollaria rahoitusta Quebecin hallitukselta, mukaan lukien 15 miljoonan osakeinvestointi yrityksen pääomaan Investissement Québecin kautta sekä 7,5 miljoonaa dollaria apurahoja Fonds d’électrification et de changements climatiques -rahastosta.

3. Ecobat

Ecobat toimii laajan verkoston kautta 65 000 keräyspistettä hallinnoidakseen elinkaaren lopun akkuja osana sen kierrätysenergia‑varastoratkaisuja. Se on kerännyt lähes 15 000 jäsentä tai asiakasta tähän mennessä, kierrättäen 120 miljoonaa akkua vuodessa.

Keräyspisteistä keräämiseen Ecobatilla on oma 100 ajoneuvon laivasto. 11 sulatuslaitoksella se käsittelee litium‑akut, lyijyakut ja muut akkukemiat. Ecobatilla on myös suljettu kiertävä talteenottoprosessi, jossa 80 % talteenotosta palautuu akkujen valmistukseen. Se lupaa myös 99 % kierrätettävyyden.

Ecobat väittää olevansa maailman suurin akkujen ‘kierrättäjä’, joka täyttää olennaiset energian varastointitarpeet tekemällä akkujen liiketoiminnasta turvallisempaa ja kestävämpää kiertotalouden energianekonomiassa. Vuonna 2021 Ecobatin lyijyakkujen kierrätystoiminta kierrätti täysimääräisesti 70 miljoonaa autonakkua.

4. Cirba Solutions

Cirba Solutionsilla on yhteensä 60 vuotta kierrätyskokemusta kolmella brändillä – Battery Solutions, Heritage Battery Recycling ja Retriev Technologies – sen hallinnassa. Se on yksi litiumakkujen kierrätyksen pioneereista, omaa akkujen kierrätystiimin, akku‑keskeisen logistiikan, suljetun elinkaaren ja litiumin prosessointilaitokset.

Yrityksellä on erikoistunut kierrätysprosessi, joka sisältää ristikemiallisia ratkaisuja sekä kobolttipohjaisille että kobolttipitoisille aineille. Tähän mennessä se on käsitellyt yli 36 miljoonaa puntaa litium‑ioniakkuja yli 30 vuoden ajan.

Viimeisimpien saatavilla olevien tietojen mukaan Cirba keräsi 50 miljoonaa Yhd. dollaria viimeisimmässä yritysrahoituskierroksessaan 9. helmikuuta 2023.

Defunktioiden akkupäätteiden hävittäminen: tulevaisuuden näkymät

Litium‑ioniakkujen läsnäolo, jotka ovat välttämättömiä sähköajoneuvojen ja nykypäivän kuluttajaelektroniikan energianlähteinä, tulee yhä yleisemmäksi. Tilastollisesti tarkasteltuna maailmanlaajuinen litium‑ioniakkujen kysyntä kasvaa lähes seitsemänkertaistaan vuosina 2022–2030, saavuttaen 4,7 TWh vuonna 2030.

Tuotannon osalta Kiina hallitsee yli kolme neljäsosaa maailman kapasiteetista. Pohjois-Amerikka ja Eurooppa eivät jää kauas jälkeen, sillä nekin suunnittelevat merkittävää tuotannon kasvua. Tästä syystä yhtenäiset ja hyvin koordinoidut globaalit ponnistelut ovat tarpeen, jotta akkujen kierrätys saadaan saavutettavaksi ja kestäväksi prosessiksi, ja vain sen jälkeen voimme suojella maailmaa saastumiselta ja resurssien ehtymisriskiltä.

Kiina esimerkiksi pitää autonvalmistajia vastuussa ajoneuvoakkujen “elinkaaren lopun käsittelystä”. Euroopan unioni ei ole kaukana perässä, sillä se on asettanut myös standardit akkujen keräykselle ja talteenotolle.

Yhä useammat innovaatiot näiden akkujen toisen elinkaaren sovelluksissa auttavat välttämään tehottoman kierrätyksen lähestyviä vaaroja. Päätetään tarkastelemalla yhtä esimerkkiä. Johan Cruijff Arenalla, Amsterdamissa, oleva energian varastointijärjestelmä hyödyntää 148 uutta ja käytettyä Nissan LEAF -akkua kerätäkseen energiaa 4 200 aurinkopaneelista ja varastoiden jopa 3 megawattia tehoa. Tämä määrä riittää varmuuskopiointiin puoli miljoonalle iPhonelle.

Yhteenvetona, globaalien tavoitteiden saavuttaminen edellyttää kaikkien aktiivista osallistumista. Autoyhtiöt, kuluttajaelektroniikan valmistajat, globaalit talouselimet, valtioiden neuvostot – kaikkien on annettava äänensä kestävään ja tehokkaaseen defunktioiden akkupäätteiden kierrätykseen ja talteenottoon.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten sähköautot voivat paitsi auttaa maapalloa myös pelastaa henkiä.