Løse Li‑ion‑dilemmaet: Bortforsyning av defekte battericeller i en stadig mer elektrifisert verden

Det er et velkjent faktum at forbrenning av fossile brensler påvirker miljøet vårt. I tillegg til karbon inneholder disse brenslene også hydrogen, nitrogen og svovel. Når de brennes, frigjør fossilt brensel en blanding av karbonmonoksid, karbondioksid og vann, sammen med nitrogen‑ og svoveloksider. Disse stoffene, spesielt giftige i høye konsentrasjoner, utgjør alvorlige trusler mot helse og sikkerhet. I særlig grad er utslipp av karbondioksid en hovedbidragsyter til global oppvarming, noe som understreker miljøpåvirkningen fra forbrenning av fossile brensler.

Behovet for å gå bort fra fossile brensler har ført til en eksponentielt økt etterspørsel etter batterier. I tråd med denne trenden anslår forskerne at det globalt batterimarked vil vokse fra 112 milliarder USD i 2021 til 424 milliarder USD i 2030. Markedet omfatter flere batterikategorier, som litium‑ion, sink‑mangan‑dioxid, bly‑syre, nikkel‑metall‑hydrid, nikkel‑kadmium, natrium‑svovel, nikkel‑sink, små forseglede bly‑syrebatterier, flytende batterier, blant andre.

Imidlertid utgjør litium‑ion‑ og bly‑syrebatterier den største andelen av dette batterimarkedet, og etterlater en lang hale for de andre kategoriene.

Hvis vi ser på det 424 milliarder USD store markedet for 2023, vil mer enn 257 milliarder USD, over 60 % av hele batterimarkedet, bli opptatt av litium‑ion‑batterier. Mer enn 121 milliarder USD, 27 % av markedet, vil bli opptatt av bly‑syrebatterier. Disse to kategoriene sammen utgjør mer enn 87 % av markedet, og etterlater nesten 13 % av de øvrige kategoriene å konkurrere om.

Hvor blir disse batteriene brukt?

Litium‑ion‑batterier finnes vanligvis i de fleste bærbare forbrukerelektronikkprodukter rundt oss, inkludert mobiltelefoner og bærbare datamaskiner. De er også det primære valget for flertallet av helelektriske kjøretøy og plug‑in hybrid‑elektriske kjøretøy (PHEV), som får økende popularitet i raskt tempo.

Bly‑syrebatterier, derimot, er ikke like effektive som litium‑ion‑batterier. De har lav spesifikk energi, presterer dårlig i lave temperaturer, og har en kortere levetid. Deres omfattende bruk skyldes hovedsakelig den lave kostnaden. Imidlertid pågår utviklingen av avanserte bly‑syrebatterier – i dag – for bruk i kommersielle elektrisk drevne kjøretøy for sekundære belastninger.

Nikkel‑metall‑hydrid‑batterier brukes i datamaskiner og medisinsk utstyr og er også betydelige i hybrid‑elektriske kjøretøy. Med den jevnlige økningen i bruken av elektronikk og den stadige økningen i markedsandelen for elektriske kjøretøy, vil bruken av batterier uunngåelig øke.

Disse batteriene har imidlertid en begrenset holdbarhet og må til slutt kastes. Dette utgjør en utfordring i en stadig mer elektrifisert verden – håndtering av defekte battericeller. Løsninger finnes, men før vi utforsker dem nærmere, er det viktig å undersøke rotårsaken grundigere.

Batteriets holdbarhet: En kort oversikt

Batterier kan variere i kapasitet, bruksområde og materiale de er laget av. Hver faktor påvirker hvor lenge et batteri bør vare. Den mest populære batterikategorien er litium‑ion. Og elektriske kjøretøy er bruksområdet som bruker disse batteriene i stor skala.

Batteriene som el‑biler bruker ligner på de som brukes i våre mobiltelefoner og bærbare datamaskiner. De har mange fordeler, inkludert høy energi per enhetsmasse og -volum sammenlignet med andre elektriske energilagringssystemer, høy effekt‑til‑vekt‑forhold, høy energieffektivitet, effektiv ytelse ved høye temperaturer, lang levetid og lav selvutladning.

El‑bilbatterier bruker pakker som består av mer enn to tusen individuelle litium‑ion‑celler som arbeider sammen. Hver batteripakke er konstruert for å beholde sin lade‑ og utladesyklus i opptil mellom 100 000 og 200 000 miles. Når det måles i år, har de fleste el‑bilbatterier en forventet levetid på 15 til 20 år i bilen.

Risikoene ved å kvitte seg med defekte battericeller

I følge United States Environmental Protection Agency vil de fleste litium‑ion‑batterier klassifiseres som farlig avfall under Resource Conservation and Recovery Act (RCRA). Når de kastes, er disse batteriene ofte brennbare og reaktive. Til tross for at de ser helt utladet og kastebare ut for brukeren, beholder litium‑ion‑batterier ofte betydelige ladninger, noe som utgjør en fare.

Videre kan skadede og ikke fullt forseglede litiumbatterier være ekstremt farlige dersom de kommer i kontakt med vann under avhending. Det betydelige metallinnholdet i litium‑ion‑batterier, som er vanskelig å fjerne og skadelig for miljøet, forsterker bekymringen.

En vitenskapelig vurderingsrapport har påpekt at litium‑ion‑batterier inneholder høye konsentrasjoner av aluminium, kobolt og kobber. Ytterligere studier avslører den farlige naturen til defekte litium‑ion‑batterier på grunn av deres blyinnhold (gj.snitt 6,29 mg/L; σ = 11,1; grense 5).

I henhold til kaliforniske forskrifter kvalifiserer tilstedeværelsen av overdrevne nivåer av kobolt (gj.snitt 163 544 mg/kg; σ = 62 897; grense 8 000), kobber (gj.snitt 98 694 mg/kg; σ = 28 734; grense 2 500) og nikkel (gj.snitt 9 525 mg/kg; σ = 11 438; grense 2 000) alle litiumbatterier som farlige.

Utløste konsentrasjoner av krom, bly og tallium i disse batteriene overskrider også kaliforniske reguleringsgrenser. I tillegg til å forårsake toksisitet for mennesker og økosystemet rundt oss, fører litium‑ion‑batterier også til ressursutarming, en alvorlig bekymring for vår fremtid.

Klikk her for å lære alt om batteriteknologien.

Hvordan resirkulere defekte battericeller?

Faren som avhending av defekte battericeller medfører, krever resirkulering. Imidlertid kan resirkulering av et defekt batteri være farlig. Feil håndtering av defekte battericeller kan forårsake kortslutning, brann og frigjøre giftige gasser.

Nøkkelen ligger i effektive resirkuleringsmetoder, som ikke bare kan forhindre forurensning, men også skape muligheter for å generere en bærekraftig sekundær strøm av kritiske materialer. En slik effektiv metode for resirkulering av litium‑ion‑batterier er utviklet av forskere ved Department of Energy’s Oak Ridge National Library.

Løsningen innebærer å suge det brukte batteriet i en løsning av naturlig forekommende sitronsyre, organisk tilstede i sitrusfrukter. Sitronsyreløsningen er oppløst i etylenglykol, og blandingen bidrar til å gjennomføre en svært effektiv separasjons‑ og gjenopprettingsprosess for å skille metaller fra katoden, den positivt ladede elektroden i batteriet.

En effektiv gjenopprettingsprosess for katoden betyr reduserte batterikostnader siden katoden bidrar med mer enn 30 % av batterikostnaden, på grunn av sitt innhold av kritiske materialer. Resirkuleringsmetoden kan utvunne nesten alt kobolt og litium fra katoden uten å forurense systemet. Den kan gjenvinne mer enn 96 % av kobolt på timer. Det er ikke nødvendig å tilsette flere kjemikalier for å manuelt balansere syrenivåene.

Ifølge Lu Yu, hovedforsker i prosjektet:

Dette er første gang et løsningssystem har dekket både utvinnings‑ og gjenopprettingsfunksjonene.

Bortsett fra slike laboratoriebaserte forskningsinnsats, som vil bli skalert til produksjon i fremtiden, har flere selskaper allerede tatt på seg jobben med å resirkulere defekte og avhendede litium‑ion‑batterier. Vi vil se på noen av dem i de følgende segmentene.

1. American Battery Technology Company

American Battery Technology Company (ABAT ) har utviklet en lukket kretsløp batteriresirkuleringsprosess for å skille og gjenvinne kritiske materialer fra batterier som nærmer seg slutten av sin brukbare levetid. Imidlertid stopper ikke deres innsats ved separasjon og gjenoppretting.

Prosessen innebærer å rense disse batterimetallene til samme eller høyere kvalitetsstandarder. Ifølge selskapet har systemet flere konkurransefordeler. Den strategiske utformingen sikrer null høytemperaturoperasjoner og hindrer utslipp av luft- og væskeforurensninger. Videre matcher resirkuleringsanleggene gjennomstrømningen til produksjonsanlegg, genererer minimalt avfall og krever lave kapitalkostnader for oppsett.

Første kvartal av 2024s finansrapport, som ble publisert av selskapet, listet opp sine viktigste milepæler mot inntektsgenererende drift. Merkverdig har selskapet designet, satt i drift og startet operasjoner ved sitt første kommersielle resirkuleringsanlegg i stor skala, med en nominell gjennomstrømning på 20 000 metriske tonn per år.

Selskapet sikret også to DOE‑tilskudd fra USA under kontrakt og ble nylig kvalifisert for ytterligere to tilskudd, totalt 70 millioner USD i kontrakterte føderale midler. Det noterte sine aksjer og begynte handel på Nasdaq 21. september 2023.

På tidspunktet for skrivingen var American Battery Technology Companys aksjekurs $3,99 og hadde en markedsverdi på over $188 millioner.

2. Lithion Technologies

Lithion Technologies produserer bærekraftig strategiske materialer fra Li‑ion‑batterier. Teknologien deres er i stand til å gjenvinne opptil 95 % av komponentene i disse batteriene.

I mekanisk utvinning kan Lithion gjenvinne mer enn 98 % av mineralkonsentratet. Det kritiske mineralkonsentratet behandles deretter gjennom deres patenterte hydrometallurgiteknologi. Denne prosessen gjør det mulig å gjenvinne essensielle materialer som litium, kobolt, nikkel, grafitt og mangan.

Bemerkelsesverdig hevder Lithion at deres teknologier gir en betydelig mindre miljøpåvirkning sammenlignet med tradisjonell gruvedrift. Deres klimagassutslipp er 75 % lavere enn ved gruvedrift, og de reduserer også vannforbruket med imponerende 90 %.

I april 2022 mottok Lithion 22,5 millioner dollar i finansiering fra Quebec-regjeringen, inkludert en egenkapitalinvestering på 15 millioner i selskapets aksjekapital gjennom Investissement Québec og 7,5 millioner dollar i tilskudd fra Fonds d’électrification et de changements climatiques.

3. Ecobat

Ecobat opererer gjennom et omfattende nettverk av 65 000 innsamlingspunkter for å håndtere batterier ved slutten av livssyklusen som en del av sine resirkuleringsløsninger for energilagring. De har samlet nesten 15 000 medlemmer eller kunder så langt, og resirkulerer 120 millioner batterier per år.

For innsamling fra de utpekte punktene har Ecobat sin egen flåte på 100 kjøretøy. Med 11 smelteanlegg håndterer de litiumbatterier, blybatterier og andre batterikjemier. Ecobat har også en lukket kretsløp sirkulær gjenopprettingsprosess, hvor 80 % av deres gjenvinning går tilbake til batteriproduksjon. De lover også en resirkuleringsprosent på 99 %.

Ecobat hevder at de er verdens største batteri‑’resirkulerer’ som møter essensielle energilagringsbehov ved å gjøre batterivirksomheten tryggere og mer bærekraftig for en sirkulær energiekonomi. I 2021 resirkulerte Ecobats blybatteri‑virksomhet fullt ut 70 millioner bilbatterier.

4. Cirba Solutions

Cirba Solutions har samlet 60 år med resirkulerings erfaring gjennom tre merker – Battery Solutions, Heritage Battery Recycling og Retriev Technologies – under sin paraply. De er en av pionerene innen resirkulering av litiumbatterier med eget batteriresirkuleringsteam, batterifokusert logistikk, lukket kretsløp livssyklus og litiumbehandlingsanlegg.

Selskapet har en spesialisert resirkuleringsprosess som involverer kryss‑kjemi‑løsninger for både kobolt‑baserte og ikke‑kobolt‑baserte komponenter. Til dags dato har de behandlet mer enn 36 millioner pund litium‑ion i over 30 år.

I henhold til de siste tilgjengelige dataene, hentet Cirba inn 50 millioner USD i sin siste bedriftsrunde 9. februar 2023.

Bortforsyning av defekte battericeller: Fremtidsperspektivet

Tilstedeværelsen av litium‑ion‑batterier, som er essensielle for å drive elektriske kjøretøy og moderne forbrukerelektronikk, vil bare bli stadig mer utbredt. Statistisk sett vil den globale etterspørselen etter litium‑ion‑batterier mellom 2022 og 2030 øke nesten syv ganger, og nå 4,7 TWh i 2030.

Når det gjelder produksjon, har Kina kontroll over mer enn tre fjerdedeler av verdens kapasitet. Nord‑Amerika og Europa vil ikke være langt bak, da de også ser på en betydelig oppskalering av produksjonen. Derfor vil konsoliderte og godt koordinerte globale innsats kreves for å sikre at batteriresirkulering blir en tilgjengelig og bærekraftig prosess, og først da vil vi kunne redde verden fra forurensnings‑ og ressursutarmingsrisikoer.

Kina, for eksempel, holder bilprodusenter ansvarlige for «slutt‑livsbehandling» av kjøretøybatterier. Den europeiske union er ikke langt bak, da den også har fastsatt standarder for innsamling og gjenoppretting av batterier.

Flere og flere innovasjoner innen sekundærliv‑applikasjoner av disse batteriene vil bidra til å unngå de nært forestående farene ved ineffektiv resirkulering. La oss avslutte med å se på et slikt eksempel. Et energilagringssystem på Johan Cruijff Arena i Amsterdam utnytter tilsvarende 148 nye og brukte Nissan LEAF‑batterier for å samle energi fra 4 200 solcellepaneler og lagre opptil 3 megawatt kraft. Denne innsamlingen er nok til å lade en halv million iPhones som reserve.

Avslutningsvis krever oppnåelsen av målene på global skala aktiv deltakelse fra alle. Bilprodusenter, produsenter av forbrukerelektronikk, globale økonomiske organer, nasjonale råd – alle må bidra med sin stemme til bærekraftig og effektiv resirkulering og gjenoppretting av defekte battericeller.

Klikk her for å lære hvordan el‑biler ikke bare kan hjelpe jorden, men også redde liv.