Energie
Het aanpakken van het Li‑ion dilemma: Het afvoeren van defecte batterijcellen in een steeds meer geëlektrificeerde wereld
Voeg Securities.io toe aan je voorkeursbronnen op Google
Het is een algemeen bekend feit dat het verbranden van fossiele brandstoffen ons milieu aantast. Deze brandstoffen bestaan niet alleen uit koolstof, maar bevatten ook waterstof, stikstof en zwavel. Bij verbranding komt een mengsel van koolmonoxide, kooldioxide en water vrij, samen met stikstofoxiden en zwaveldioxide. Deze stoffen, vooral giftig in hoge concentraties, vormen ernstige bedreigingen voor gezondheid en veiligheid. Bovendien is de uitstoot van kooldioxide een belangrijke oorzaak van de opwarming van de aarde, wat de milieueffecten van fossiele verbranding onderstreept.
De noodzaak om af te stappen van fossiele brandstoffen heeft geleid tot een exponentieel gestegen vraag naar batterijen. In lijn met deze trend voorspellen onderzoekers de grootte van de wereldwijde batterijenmarkt, die zal groeien van US$112 miljard in 2021 naar US$424 miljard in 2030. De markt omvat verschillende batterijcategorieën, zoals lithium‑ion, zink‑mangaan‑dioxide, lood‑zuur, nikkel‑metaalhydride, nikkel‑kadmium, natrium‑zwavel, nikkel‑zink, kleine afgesloten lood‑zuur, flow‑batterijen, en andere.
Lithium‑ion‑ en lood‑zuur‑batterijen vormen echter het grootste deel van dit batterijenmarktlandschap, waardoor de andere categorieën een lange staart hebben.
Als we kijken naar de marktwaarde van US$424 miljard voor 2023, zal meer dan US$257 miljard, ruim 60 % van de totale batterijenmarkt, worden ingenomen door lithium‑ion‑batterijen. Meer dan US$121 miljard, 27 % van de markt, zal worden ingenomen door lood‑zuur‑batterijen. Deze twee categorieën samen beslaan meer dan 87 % van de markt, waardoor ongeveer 13 % overblijft voor de overige categorieën.
Waar worden deze batterijen ingezet?
Lithium‑ion‑batterijen komen veel voor in de meeste draagbare consumentenelektronica om ons heen, waaronder mobiele telefoons en laptops. Ze zijn ook de primaire keuze voor de meerderheid van volledig elektrische voertuigen en plug‑in hybride voertuigen, die in een aanzienlijk snel tempo terrein winnen.
Lood‑zuur‑batterijen daarentegen zijn minder efficiënt dan lithium‑ion‑batterijen. Ze hebben een lage specifieke energie, presteren slecht bij lage temperaturen en hebben een kortere levensduur. Hun brede gebruik is voornamelijk te danken aan de lage kosten. Er is echter een voortdurende ontwikkeling van geavanceerde lood‑zuur‑batterijen – tegenwoordig – voor gebruik in commerciële elektrisch aangedreven voertuigen voor auxiliaire belastingen.
Nikkel‑metaalhydride‑batterijen worden gebruikt in computers en medische apparatuur en spelen ook een belangrijke rol in hybride elektrische voertuigen. Met de gestage toename in het gebruik van elektronische goederen en de continue groei van het marktaandeel van elektrische voertuigen, zal het gebruik van batterijen onvermijdelijk toenemen.
Deze batterijen hebben echter een beperkte houdbaarheid en moeten uiteindelijk worden afgevoerd. Dit vormt een uitdaging in een steeds meer geëlektrificeerde wereld – de afvoer van defecte batterijcellen. Er bestaan oplossingen, maar voordat we die verder verkennen, is het cruciaal de onderliggende oorzaak dieper te onderzoeken.
Levensduur van batterijen: een kort overzicht
Batterijen kunnen verschillen in capaciteit, gebruiksomgeving en materiaal waaruit ze bestaan. Elk van deze factoren speelt een rol in hoe lang een batterij mee moet gaan. De populairste categorie batterijen is lithium‑ion. En elektrische voertuigen vormen de gebruikscategorie die deze batterijen op grote schaal inzet.
De batterijen die EV’s gebruiken lijken op die in onze mobiele telefoons en laptops. Ze hebben vele voordelen, waaronder een hoge energie per eenheidsmassa en -volume vergeleken met andere elektrische energieopslagsystemen, een hoog vermogens‑gewicht‑ratio, hoge energie‑efficiëntie, efficiënte prestaties bij hoge temperaturen, een lange levensduur en een lage zelfontlading.
EV‑batterijen maken gebruik van packs die uit meer dan tweeduizend individuele lithium‑ion‑cellen bestaan die samenwerken. Elk batterijpakket is ontworpen om zijn laad‑ontlaadvermogen te behouden voor ergens tussen de 100.000 en 200.000 mijl. En wanneer gemeten in jaren, hebben de meeste EV‑batterijen een levensverwachting van 15 tot 20 jaar binnen het voertuig.
De risico’s van het afvoeren van defecte batterijcellen
Volgens de United States Environmental Protection Agency zouden de meeste lithium‑ion‑batterijen onder de Resource Conservation and Recovery Act (RCRA) als gevaarlijk afval worden geclassificeerd. Eenmaal weggegooid zijn deze batterijen vaak ontvlambaar en reactief. Ondanks dat ze voor de gebruiker volledig ontladen en wegwerpbaar lijken, behouden Li‑ion‑batterijen vaak een aanzienlijke lading, wat een gevaar vormt.
Bovendien kunnen beschadigde en niet volledig afgesloten lithiumbatterijen extreem gevaarlijk zijn als ze tijdens de afvoer in contact komen met water. Het aanzienlijke metaalgehalte in Li‑ion‑batterijen, dat moeilijk te verwijderen is en schadelijk voor het milieu, vergroot de zorg.
Een wetenschappelijk beoordelingsrapport heeft aangetoond dat Li‑ion‑batterijen hoge concentraties aluminium, kobalt en koper bevatten. Extra studies onthullen de gevaarlijke aard van defecte Li‑ion‑batterijen vanwege hun loodgehalte (gemiddeld 6,29 mg/L; σ = 11,1; limiet 5).
Volgens de regelgeving in Californië kwalificeert de aanwezigheid van buitensporige niveaus van kobalt (gemiddeld 163.544 mg/kg; σ = 62.897; limiet 8.000), koper (gemiddeld 98.694 mg/kg; σ = 28.734; limiet 2.500) en nikkel (gemiddeld 9.525 mg/kg; σ = 11.438; limiet 2.000) alle lithiumbatterijen als gevaarlijk.
Uitlogende concentraties chroom, lood en thallium in deze batterijen overschrijden eveneens de Californische regelgeving. Naast toxiciteit voor mens en omgeving veroorzaken Li‑ion‑batterijen ook uitputting van hulpbronnen, een ernstig probleem voor onze toekomst.
Klik hier om alles te leren over de batterijtechnologie.
Hoe defecte batterijcellen te recyclen?
De gevaren die de afvoer van defecte batterijcellen met zich meebrengt, vereisen recycling. Echter, het recyclen van een defecte batterij kan gevaarlijk zijn. Onjuiste behandeling kan kortsluiting, verbranding en de uitstoot van giftige gassen veroorzaken.
De sleutel ligt in efficiënte recyclingmethoden, die niet alleen vervuiling kunnen voorkomen maar ook kansen bieden om een duurzame secundaire stroom van kritieke materialen te genereren. Eén zo’n efficiënte methode voor lithium‑ion‑batterijrecycling is ontwikkeld door onderzoekers van het Department of Energy’s Oak Ridge National Library.
De oplossing omvat het onderdompelen van de gebruikte batterij in een oplossing van natuurlijk voorkomende citroenzuur, organisch aanwezig in citrusvruchten. De citroenzuuroplossing wordt opgelost in ethyleenglycol, en het mengsel helpt een zeer efficiënt scheidings‑ en herstelproces te voeren voor het scheiden van metalen van de kathode, de positief geladen elektrode van de batterij.
Een efficiënt herstelproces voor de kathode betekent lagere batterijkosten, aangezien de kathode meer dan 30 % van de batterijkosten uitmaakt door het bezit van kritieke materialen. De recyclingmethode kan bijna al het kobalt en lithium uit de kathode uitlogen zonder het systeem te verontreinigen. Het kan meer dan 96 % van het kobalt binnen enkele uren terugwinnen. Er is geen noodzaak om extra chemicaliën toe te voegen om handmatig de zuurgraad te balanceren.
Volgens Lu Yu, de hoofdonderzoeker van het project:
“Dit is de eerste keer dat één oplossingssysteem zowel de functies van uitlekken als herstel heeft gedekt.”
Naast dergelijke laboratoriumonderzoeken, die in de toekomst op productie schaal zullen worden gebracht, hebben verschillende bedrijven al de taak op zich genomen om defecte en weggegooide lithium‑ion‑batterijen te recyclen. We bekijken er enkele in de volgende segmenten.
1. American Battery Technology Company
American Battery Technology Company (ABAT ) heeft een gesloten‑lus batterijrecyclingproces ontwikkeld om kritieke materialen uit batterijen die het einde van hun bruikbare levensduur naderen, te scheiden en terug te winnen. Hun inspanningen stoppen echter niet bij scheiding en terugwinning.
Het proces omvat het zuiveren van deze batterijomaten tot dezelfde of hogere kwaliteitsspecificaties. Volgens het bedrijf biedt het systeem meerdere concurrentievoordelen. Het strategische ontwerp garandeert nul operaties op hoge temperatuur en voorkomt emissies van lucht‑ en vloeistofverontreinigingen. Bovendien stemmen de recyclingfaciliteiten hun doorvoersnelheid af op die van productie‑faciliteiten, genereren minimale afvalstromen en vereisen lage kapitaalkosten voor de installatie.
ABAT Prijsgrafiek
Het eerste kwartaal van 2024 financieel rapport, zoals gepubliceerd door het bedrijf, vermeldt de belangrijkste mijlpalen richting omzetgenererende operaties. Opmerkelijk is dat het bedrijf een commerciële recyclingfaciliteit op schaal heeft ontworpen, in gebruik genomen en operationeel heeft gemaakt, met een nominale doorvoersnelheid van 20.000 metrische ton per jaar.
Het bedrijf heeft bovendien twee DOE‑subsidies onder contract veiliggesteld en recentelijk recht op twee extra subsidies verkregen, goed voor in totaal US$70 miljoen aan federale contractgelden. Het heeft met succes zijn aandelen genoteerd en begon op 21 september 2023 te handelen op Nasdaq.
Op het moment van schrijven was de aandelenkoers van American Battery Technology Company $3,99 en had een marktkapitalisatie van meer dan $188 miljoen.
2. Lithion Technologies
Lithion Technologies produceert op duurzame wijze strategische materialen uit Li‑ion‑batterijen. Hun technologie kan tot 95 % van de componenten van deze batterijen terugwinnen.
Bij mechanische extractie kan Lithion meer dan 98 % van de mineralconcentraten recupereren. Het kritieke mineralconcentraat wordt vervolgens verwerkt via hun gepatenteerde hydrometallurgische technologie. Dit proces maakt het mogelijk essentiële materialen zoals lithium, kobalt, nikkel, grafiet en mangaan terug te winnen.
Opmerkelijk is dat Lithion beweert dat hun technologieën een aanzienlijk kleinere milieu‑impact hebben vergeleken met traditioneel mijnbouwextractie. Hun broeikasgasemissies zijn 75 % lager dan die van mijnbouw, en ze verminderen het waterverbruik met maar liefst 90 %.
In april 2022 ontving Lithion $22,5 miljoen aan financiering van de regering van Quebec, inclusief een investering van 15 miljoen in aandelenkapitaal via Investissement Québec en $7,5 miljoen aan subsidies van het Fonds d’électrification et de changements climatiques.
3. Ecobat
Ecobat opereert via een uitgebreid netwerk van 65.000 inzamelpunten om eind‑of‑levensduur batterijen te beheren als onderdeel van hun recycling‑opslagoplossingen. Tot nu toe heeft het bijna 15.000 leden of klanten, en recyclet het 120 miljoen batterijen per jaar.
Voor inzameling bij de aangewezen punten beschikt Ecobat over een eigen vloot van 100 voertuigen. Met 11 smeltfabriieken verwerkt het lithium‑, lood‑ en andere batterijchemieën. Ecobat heeft ook een gesloten‑lus circulair terugwinningsproces, waarbij 80 % van de teruggewonnen materialen terugkeert naar de batterijproductie. Ze beloven een recycleerbaarheid van 99 %.
Ecobat beweert zelf de grootste batterij‑‘recycler’ ter wereld te zijn die voldoet aan essentiële opslagbehoeften door de batterij‑business veiliger en duurzamer te maken voor een circulaire energiereconomie. In 2021 recycleerde Ecobat’s lood‑batterij‑business 70 miljoen autobatterijen volledig.
4. Cirba Solutions
Cirba Solutions beschikt over 60 gecombineerde jaren recycling‑ervaring met drie merken – Battery Solutions, Heritage Battery Recycling en Retriev Technologies – onder haar paraplu. Het is een van de pioniers in lithium‑batterijrecycling met een eigen recyclingteam, batterij‑gerichte logistiek, gesloten‑lus levenscyclus en lithium‑verwerkingsfaciliteiten.
Het bedrijf hanteert een gespecialiseerd recyclingproces met cross‑chemie‑oplossingen voor zowel kobalt‑gebaseerde als niet‑kobalt‑gebaseerde componenten. Tot nu toe heeft het meer dan 36 miljoen pond lithium‑ion verwerkt gedurende meer dan 30 jaar.
Volgens de laatst beschikbare gegevens heeft Cirba US$50 miljoen opgehaald in haar laatste bedrijfsronde op 9 februari 2023.
Defecte batterijcellen afvoeren: de toekomstige scope
De aanwezigheid van lithium‑ion‑batterijen, essentieel voor het aandrijven van elektrische voertuigen en het voeden van moderne consumentenelektronica, zal alleen maar toenemen. Statistisch gezien zal de wereldwijde vraag naar lithium‑ion‑batterijen tussen 2022 en 2030 bijna zeven keer stijgen, tot 4,7 TWh in 2030.
Wat de productie betreft, heeft China meer dan drie‑vierde van de wereldwijde capaciteit onder controle. Noord‑America en Europa zullen niet lang achterblijven, aangezien ook zij een aanzienlijke opschaling van de productie nastreven. Daarom zijn geconsolideerde en goed gecoördineerde wereldwijde inspanningen nodig om ervoor te zorgen dat batterijrecycling toegankelijk en duurzaam wordt, en pas dan kunnen we de wereld beschermen tegen vervuiling en uitputting van hulpbronnen.
China bijvoorbeeld houdt autofabrikanten verantwoordelijk voor de “einde‑van‑levensduur‑behandeling” van voertuigbatterijen. De Europese Unie loopt niet ver achter, aangezien zij ook normen heeft vastgesteld voor de inzameling en terugwinning van batterijen.
Steeds meer innovaties in second‑life‑toepassingen van deze batterijen zullen helpen de dreigende gevaren van inefficiënte recycling te vermijden. Laten we afsluiten met een voorbeeld. Een energieopslagsysteem in de Johan Cruijff‑Arena, Amsterdam, maakt gebruik van het equivalent van 148 nieuwe en gebruikte Nissan LEAF‑batterijen om energie van 4.200 zonnepanelen op te vangen en tot 3 megawatt aan vermogen op te slaan. Deze opvang is voldoende om een half miljoen iPhones op te laden als back‑up.
Kortom, het behalen van de wereldwijde doelen vereist actieve deelname van iedereen. Automobielbedrijven, fabrikanten van consumentenelektronica, wereldwijde economische organen, nationale raden – allen moeten hun stem laten horen voor duurzame en efficiënte recycling en terugwinning van defecte batterijcellen.
