Käytöstä poistettujen litiumioniakkujen kierrätys: vuoden 2023 katsaus

Fossiilisten polttoaineiden polttaminen vaikuttaa ympäristöön. Polttoaineesta ja palamisolosuhteista riippuen syntyy esimerkiksi hiilidioksidia, vettä, hiilimonoksidia sekä typen ja rikin oksideja. Monet epäpuhtaudet ovat terveydelle haitallisia, ja hiilidioksidipäästöt edistävät ilmaston lämpenemistä. Tämä artikkeli tarkastelee akkujen kierrätystä ja yritysesimerkkejä vuoden 2023 näkökulmasta.

Siirtyminen pois fossiilisista polttoaineista lisää akkujen kysyntää. Alkuperäisessä artikkelissa esitetty historiallinen ennuste arvioi maailman akkumarkkinoiden kasvavan vuoden 2021 noin 112 miljardista Yhdysvaltain dollarista 424 miljardiin dollariin vuoteen 2030 mennessä. Kyse on vanhasta ennusteesta, ei vuoden 2023 toteutuneesta liikevaihdosta. Mukana olivat muun muassa litiumioni-, sinkki-mangaanidioksidi-, lyijy-, nikkelimetallihydridi-, nikkelikadmium-, natriumrikki-, nikkelisinkki- ja virtausakut sekä pienet suljetut lyijyakut.

Ennusteessa litiumioniakut ja lyijyakut muodostivat suurimmat osuudet, ja muut tekniikat jakoivat loppuosan.

Vuoden 2030 ennusteen 424 miljardista dollarista noin 257 miljardia kohdistui litiumioniakkuihin ja 121 miljardia lyijyakkuihin. Näistä pyöristetyistä luvuista lasketut osuudet ovat noin 60,6 ja 28,5 prosenttia, yhteensä 89,2 prosenttia. Muille tekniikoille jäi siten noin 10,8 prosenttia, ei 13 prosenttia.

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.

Lyijyakkujen ominaisenergia on litiumioniakkuja pienempi, ja niiden suorituskyky voi heikentyä kylmässä. Edullinen hinta ja vakiintunut tekniikka tekevät niistä silti käyttökelpoisia esimerkiksi käynnistys-, varavoima- ja apulaitekäytössä. Käyttöikä ja hyötysuhde riippuvat rakenteesta ja käyttötavasta.

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.

Akuilla on rajallinen käyttöikä. Kun ne eivät enää sovellu alkuperäiseen tehtäväänsä, ne on arvioitava uudelleenkäyttöä varten tai toimitettava asianmukaiseen keräykseen ja kierrätykseen. Käytöstä poistuvien akkukennojen määrä kasvaa yhteiskunnan sähköistyessä.

Akkujen käyttöikä: 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.

Sähköautojen akut kuuluvat samaan laajaan akkuperheeseen kuin monet puhelin- ja tietokoneakut, mutta niiden rakenne ja hallintajärjestelmät poikkeavat pienistä laitteista. Litiumionitekniikan etuja ovat suuri energiasisältö massaan ja tilavuuteen nähden, hyvä hyötysuhde ja vähäinen itsepurkautuminen. Lämmönhallinta on tärkeää: korkea lämpötila ei ole yleisesti eduksi, vaan voi nopeuttaa vanhenemista.

Sähköauton akustossa voi rakenteen mukaan olla satoja tai tuhansia kennoja; kaikissa ei ole yli 2 000 kennoa. National Grid arvioi vuonna 2022 käyttöiäksi noin 100 000–200 000 mailia eli 160 000–320 000 kilometriä ja ajallisesti 15–20 vuotta autossa. Nämä ovat arvioita, eivät jokaisen akun takuu. Todellinen käyttöikä riippuu esimerkiksi kemiasta, lämpötilasta ja käytöstä.

Käytöstä poistettujen akkukennojen käsittelyn riskit

Yhdysvaltain ympäristövirasto EPA arvioi, että useimmat käytöstä poistetut litiumioniakut voivat täyttää RCRA-lain syttyvän ja reaktiivisen vaarallisen jätteen määritelmät. Kotitalousjätteillä on oikeudellinen poikkeus, mutta se ei poista palovaaraa. Tyhjältäkin näyttävässä akussa voi olla vaarallisesti energiaa. Akut kuuluvat asianmukaiseen akkukeräykseen, eivät sekajätteeseen tai tavalliseen materiaalikierrätykseen.

Vaurioitunut kenno voi vuotaa elektrolyyttiä ja aiheuttaa palo- tai kemikaalivaaran. Litiumioniakkuja ei pidä rinnastaa metallista litiumia sisältäviin paristoihin. Vaurioituneita akkuja käsitellään valmistajan ja vastaanottajan ohjeiden mukaisesti. Kierrätyksellä voidaan myös säästää arvokkaita materiaaleja ja vähentää ympäristökuormitusta.

Vuonna 2013 julkaistussa tutkimuksessa tarkasteltiin 16 matkapuhelinakkua standardoiduilla liuotustesteillä ja riskinarvioinneilla. Näytteissä oli runsaasti esimerkiksi alumiinia, kobolttia ja kuparia. Tutkimuksen litiumioninäytteiden liuotusnesteen lyijypitoisuus oli keskimäärin 6,29 mg/l, keskihajonta 11,1 mg/l, verrattuna raja-arvoon 5 mg/l. Tulos koskee tutkittuja akkuja, ei kaikkien nykyisten sähköautoakkujen yleistä lyijypitoisuutta.

Samassa tutkimuksessa kokonaispitoisuuksia verrattiin Kalifornian rajoihin: koboltti keskimäärin 163 544 mg/kg (keskihajonta 62 897; raja 8 000), kupari 98 694 mg/kg (28 734; raja 2 500) ja nikkeli 9 525 mg/kg (11 438; raja 2 000). Tulokset koskevat kyseisiä näytteitä. Akkukemiat vaihtelevat; esimerkiksi litiumrautafosfaattikatodit eivät sisällä kobolttia tai nikkeliä.

Tutkimuksessa havaittiin tutkituissa näytteissä myös Kalifornian liuotusrajojen ylityksiä kromille, lyijylle ja talliumille. Tulokset osoittavat mahdollisia terveys- ja ympäristöriskejä. Materiaalien talteenotto vähentää samalla luonnonvarojen menetystä ja uuden louhinnan tarvetta.

Klikkaa tästä oppiaksesi kaiken akkuteknologiasta.

Miten käytöstä poistetut akkukennot kierrätetään?

Virheellinen akkukennojen käsittely voi aiheuttaa oikosulun, tulipalon ja myrkyllisiä kaasupäästöjä. Kierrätys edellyttää siksi asianmukaisia laitteita ja hallittuja prosesseja.

Tehokas kierrätys voi vähentää saastumista ja tuottaa kriittisiä materiaaleja uudelleen käyttöön. Yhdysvaltain energiaministeriön Oak Ridge National Laboratory -tutkimuslaitos esitteli marraskuussa 2023 tällaisen litiumioniakkujen laboratoriomenetelmän. Kyseessä ei ole kirjasto.

Laboratoriomenetelmä käyttää etyleeniglykoliin liuotettua sitruunahappoa metallien liuottamiseen ja erottamiseen käytetystä katodimateriaalista. Sitruunahappoa esiintyy sitrushedelmissä, mutta etyleeniglykoli on terveydelle haitallista. Kyse on hallitusta kemiallisesta kierrätysprosessista, ei ohjeesta liottaa kokonaisia akustoja kotona. Katodi on akun positiivinen elektrodi purkauksen aikana.

ORNL kuvasi katodia kalliiksi osaksi, jonka osuus saattoi kyseisessä yhteydessä ylittää 30 prosenttia akun kustannuksista. Kokeessa lähes kaikki koboltti ja litium liuotettiin katodista lisäämättä järjestelmään epäpuhtauksia. Sen jälkeen yli 96 prosenttia koboltista saatiin talteen muutamassa tunnissa ilman lisäkemikaaleja happamuuden käsisäätöön. Liuotus ja talteenotto ovat eri tuloksia, eikä koe osoita kokonaisten akustojen kaupallista kierrätysastetta.

Tutkimuksen johtaja Lu Yu totesi:

”Ensimmäistä kertaa yksi liuosjärjestelmä kattoi sekä liuotuksen että talteenoton tehtävät.”

Menetelmä vaatii jatkokehitystä teollista käyttöä varten. Useat yritykset työskentelivät kuitenkin jo vuonna 2023 käytöstä poistettujen litiumioniakkujen kierrätyksen parissa. Seuraavat ovat historiallisia esimerkkejä.

1. American Battery Technology Company

American Battery Technology Company (ABAT ) on kehittänyt suljetun kierron akkujen kierrätysprosessin kriittisten materiaalien erottamiseksi ja talteen ottamiseksi käyttöikänsä loppua lähestyvistä akuista. Yritys pyrkii myös puhdistamaan materiaalit uutta käyttöä varten.

ABTC kuvaa prosessia, joka puhdistaa metallit akkulaatuun. Yrityksen mukaan tavoitteena on välttää korkealämpötilasulatusta, rajoittaa päästöjä ja jätettä sekä pitää pääomatarve vähäisenä. Nämä ovat yrityksen kuvauksia tekniikan eduista, eivät näyttöä koko toiminnan täydellisestä päästöttömyydestä. Kapasiteetti pyritään sovittamaan saatavilla olevan akkujätteen määrään.

ABTC:n 15. marraskuuta 2023 julkaisema tilikauden 2024 ensimmäisen neljänneksen raportti koski 30. syyskuuta 2023 päättynyttä jaksoa. Siinä kerrottiin ensimmäisen kaupallisen kierrätyslaitoksen toiminnan käynnistymisestä. Nimelliskapasiteetti oli 20 000 tonnia vuodessa täydellä käyttöasteella, ei jo saavutettu vuotuinen käsittelymäärä.

ABTC:llä oli tuolloin sopimukset neljästä DOE:n tukemasta hankkeesta, kahdesta aiemmasta ja kahdesta uudesta. Liittovaltion sopimustuen kokonaismäärä oli noin 70 miljoonaa Yhdysvaltain dollaria. Tuet korvasivat hyväksyttäviä kustannuksia, eivät olleet ehdoton kertamaksu. Osakkeiden Nasdaq-kaupankäynti alkoi 21. syyskuuta 2023.

Vuoden 2023 alkuperäinen artikkeli ilmoitti osakekurssiksi 3,99 Yhdysvaltain dollaria ja markkina-arvoksi yli 188 miljoonaa dollaria. Nämä ovat historiallisia lukuja; interaktiivinen kurssimoduuli voi näyttää uudempia tietoja.

2. Lithion Technologies

Lithion Technologies tuottaa litiumioniakuista strategisia materiaaleja. Yritys ilmoitti tekniikkansa pystyvän ottamaan talteen jopa 95 prosenttia akkujen komponenteista.

Lithion yhdistää kriittisten materiaalien rikasteen mekaanisen valmistuksen ja hydrometallurgisen käsittelyn. Prosessikuvauksessa yhtiö on ilmoittanut yli 98 prosentin mineraalirikasteen talteenoton. Eri vaiheilla ja materiaaleilla on eri saannot. Materiaaleihin kuuluvat litium, koboltti, nikkeli, grafiitti ja mangaani; kaikki eivät päädy samanlaiseksi lopputuotteeksi.

Lithion ilmoitti vuoden 2022 GM-yhteistyössään, että elinkaarianalyysi osoitti Québecin sähköä käytettäessä yli 75 prosenttia pienemmät kasvihuonekaasupäästöt ja yli 90 prosenttia vähäisemmän vedenkäytön kuin akkumateriaalien louhinnassa. Tulos koskee yrityksen prosessia ja kyseistä vertailua, ei kaikkea kierrätystä.

Huhtikuussa 2022 Lithion sai 22,5 miljoonaa Kanadan dollaria Québecin hallitukselta: 15 miljoonan pääomasijoituksen Investissement Québecin kautta ja 7,5 miljoonaa avustuksina Fonds d’électrification et de changements climatiques -rahastosta.

3. Ecobat

Alkuperäinen artikkeli kuvasi Ecobatin historiallista verkostoa, johon kuului 65 000 keräyspistettä, sekä noin 15 000 asiakasta tai jäsentä ja ilmoitti 120 miljoonan akun vuotuisen kierrätyksen. Luvut koskivat laajaa akkutoimintaa, erityisesti lyijyakkuja, eivät pelkästään litiumioniakkuja tai varmennettua nykytilannetta.

Artikkelissa mainittiin myös 100 keräysajoneuvoa ja 11 sulattoa. Nämä ovat historiallisia tietoja, eivät osoitus siitä, että kaikki laitokset käsittelivät litiumioniakkuja. Ecobatin noin 99 prosentin kierrätettävyys koski lyijyakkumateriaaleja. Yhtiön mukaan yli 80 prosenttia talteen otetusta lyijystä palautui akkujen valmistukseen; kyse ei ole litiumioniakkujen yleisestä kierrätysasteesta.

Ecobat kuvasi itseään johtavaksi maailmanlaajuiseksi akkukierrättäjäksi. Yhtiön mukaan sen lyijyakkutoiminta kierrätti vuonna 2021 yhteensä 70 miljoonaa autonakkua.

4. Cirba Solutions

Cirba Solutions yhdisti Battery Solutionsin, Heritage Battery Recyclingin ja Retriev Technologiesin osaamisen ja kuvasi yhteistä kokemusta noin 60 vuodeksi. Toimintaan kuuluivat akkujen keräys, logistiikka, materiaalien talteenotto ja litiumakkujen käsittely.

Yhtiö käsittelee useita akkukemioita, sekä kobolttia sisältäviä että koboltittomia. Alkuperäinen artikkeli ilmoitti yli 36 miljoonan paunan eli noin 16,3 miljoonan kilogramman litiumioniakkujen kumulatiivisen käsittelymäärän yli 30 vuoden ajalta. Kyse on historiallisesta yhteismäärästä, ei vuosivolyymista tai varmennetusta nykyisestä kokonaismäärästä.

Marubeni teki 9. helmikuuta 2023 Cirbaan 50 miljoonan Yhdysvaltain dollarin vähemmistösijoituksen. Tämä oli tietty vuoden 2023 sijoitus, ei välttämättä yhtiön viimeisin rahoituskierros.

Käytöstä poistuvat akkukennot: tulevat tarpeet

Sähköautojen ja elektroniikan lisääntyminen kasvattaa akkujen kierrätystarvetta. Alkuperäisen artikkelin vanha ennuste arvioi litiumioniakkujen kysynnän kasvavan lähes seitsenkertaiseksi vuosina 2022–2030 ja saavuttavan 4,7 TWh vuonna 2030. Tämä on ennuste, ei toteutunut kysyntä.

Artikkeli kuvasi Kiinan osuudeksi tuolloin yli kolme neljäsosaa maailman valmistuskapasiteetista. Pohjois-Amerikassa ja Euroopassa suunniteltiin samalla kasvua. Kyse on historiallisesta markkinakuvasta. Yhteistyötä tarvitaan kierrätyksen saatavuuden ja kestävyyden parantamiseksi sekä saastumisen ja materiaalihävikin vähentämiseksi.

Kiinassa oli vuonna 2023 ajoneuvovalmistajien tuottajavastuuta koskevia sääntöjä käytöstä poistuville ajovoima-akuille. Myös EU:ssa oli keräys- ja kierrätysvaatimuksia. Sovellettavat velvoitteet riippuvat ajankohdasta ja lainkäyttöalueesta.

Uudelleenkäyttö voi antaa sopiville akuille uuden käyttövaiheen ennen materiaalien kierrätystä. Amsterdamissa Johan Cruijff ArenAn vuonna 2018 käyttöön otettu varasto yhdistää 148 uuden ja käytetyn Nissan LEAF -akun kapasiteettia vastaavan akuston ja 4 200 aurinkopaneelia. Järjestelmän teho on 3 megawattia ja energiakapasiteetti 2,8 megawattituntia; megawatti ei mittaa varastoitua energiaa. Vertaus noin puolen miljoonan iPhonen lataamiseen riippuu puhelinten akkukapasiteetista eikä takaa tiettyä varavoiman kestoa.

Kestävä akkujen elinkaaren loppuvaiheen hallinta edellyttää yhteistyötä autonvalmistajilta, elektroniikkayrityksiltä, kierrättäjiltä ja julkisilta toimijoilta. Keräys, uudelleenkäyttökelpoisuuden arviointi ja tehokas materiaalien talteenotto ovat saman kierron eri vaiheita.

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