Att hantera Li‑ion‑dilemmat: Bortskaffande av defekta battericeller i en alltmer elektrifierad värld

Det är ett välkänt faktum att förbränning av fossila bränslen påverkar vår miljö. Förutom kol innehåller dessa bränslen även väte, kväve och svavel. Vid förbränning släpper fossila bränslen ut en blandning av kolmonoxid, koldioxid och vatten, samt kväveoxider och svaveloxider. Dessa ämnen, särskilt giftiga i höga koncentrationer, utgör allvarliga hot mot hälsa och säkerhet. Betydligt är att utsläppet av koldioxid är en huvudorsak till den globala uppvärmningen, vilket understryker den miljöpåverkan som förbränning av fossila bränslen har.

Behovet av att lämna fossila bränslen har lett till en exponentiellt ökande efterfrågan på batterier. I linje med denna trend förutspår forskarna att den globala batterimarknadsstorleken kommer att växa från 112 miljarder US‑dollar år 2021 till 424 miljarder US‑dollar år 2030. Marknaden omfattar flera batterikategorier, såsom litium‑jon, zink‑manganoxid, bly‑syra, nickel‑metallhydrid, nickel‑kadmium, natrium‑svavel, nickel‑zink, små förseglade bly‑syra, flödesbatterier och andra.

Dock utgör litium‑jon‑ och bly‑syra‑batterier den största andelen av detta batterimarknadslandskap, vilket lämnar en lång svans för de övriga kategorierna.

Om vi ser på den 424 miljarder US‑dollar stora marknaden för 2023, kommer mer än 257 miljarder US‑dollar, över 60 % av hela batterimarknaden, att domineras av litium‑jon‑batterier. Mer än 121 miljarder US‑dollar, 27 % av marknaden, kommer att innehas av bly‑syra‑batterier. Dessa två kategorier tillsammans utgör mer än 87 % av marknaden, vilket lämnar nästan 13 % för de övriga kategorierna att konkurrera om.

Var används dessa batterier?

Litium‑jon‑batterier finns vanligtvis i de flesta bärbara konsumentelektronikprodukter omkring oss, inklusive mobiltelefoner och bärbara datorer. De är också det primära valet för majoriteten av helt elektriska fordon och plug‑in‑hybrider, som får ökad genomslag i en betydligt snabb takt.

Bly‑syra‑batterier, å andra sidan, är inte lika effektiva som litium‑jon‑batterier. De har låg specifik energi, presterar dåligt i låga temperaturer och har en kortare livscykel. Deras omfattande användning beror främst på deras låga kostnad. Det pågår dock utveckling av avancerade bly‑syra‑batterier – nuförtiden – för användning i kommersiella eldrivna fordon för sekundära belastningar.

Nickel‑metallhydrid‑batterier används i datorer och medicinsk utrustning och är också betydande i hybridfordon. Med den stadiga ökningen av användningen av elektroniska produkter och den kontinuerliga ökningen av marknadsandelen för elfordon kommer användningen av batterier utan tvekan att öka.

Dessa batterier har dock en begränsad hållbarhet och måste så småningom kasseras. Detta utgör en utmaning i en alltmer elektrifierad värld – bortskaffandet av defekta battericeller. Lösningar finns, men innan vi utforskar dem närmare är det avgörande att undersöka grundorsaken djupare.

Batteriers hållbarhet: En kort översikt

Batterier kan skilja sig åt i kapacitet, användningsplats och material de är sammansatta av. Varje faktor spelar en roll för hur länge ett batteri bör hålla. Den mest populära batterikategorin är litium‑jon. Och elfordon är den användningskategori som använder dessa batterier i stor skala.

Batterierna som elfordon använder liknar de som används i våra mobiltelefoner och bärbara datorer. De har många fördelar, inklusive hög energi per enhetsmassa och volym jämfört med andra elektriska energilagringssystem, hög effekt‑till‑vikt‑förhållande, hög energieffektivitet, effektiv prestanda vid hög temperatur, lång livslängd och låg självurladdning.

EV‑batterier använder paket som består av mer än två tusen individuella litium‑jon‑celler som arbetar tillsammans. Varje batteripaket är konstruerat för att behålla sin laddnings‑ och urladdningsförmåga i upp till mellan 100 000 och 200 000 miles. Och när man mäter i år har de flesta EV‑batterier en förväntad livslängd på 15 till 20 år i bilen.

Riskerna med att kassera defekta battericeller

Enligt United States Environmental Protection Agency klassificeras de flesta litium‑jon‑batterier som farligt avfall enligt Resource Conservation and Recovery Act (RCRA). När de kastas bort är dessa batterier ofta brandfarliga och reaktiva. Trots att de verkar vara helt urladdade och kassabeläggande för användaren, behåller Li‑ion‑batterier ofta betydande laddningar, vilket utgör en fara.

Dessutom kan skadade och inte helt förseglade litiumbatterier vara extremt farliga om de kommer i kontakt med vatten under kassering. Det betydande metallinnehållet i Li‑ion‑batterier, som är svårt att eliminera och skadligt för miljön, ökar oron.

En vetenskaplig bedömningsrapport har påvisat att Li‑ion‑batterier innehåller höga koncentrationer av aluminium, kobolt och koppar. Ytterligare studier avslöjar den farliga naturen hos defekta Li‑ion‑batterier på grund av deras blyinnehåll (genomsnitt 6,29 mg/L; σ = 11,1; gräns 5).

Enligt kaliforniska föreskrifter klassificeras alla litiumbatterier som farliga på grund av förekomsten av överdrivna nivåer av kobolt (genomsnitt 163 544 mg/kg; σ = 62 897; gräns 8 000), koppar (genomsnitt 98 694 mg/kg; σ = 28 734; gräns 2 500) och nickel (genomsnitt 9 525 mg/kg; σ = 11 438; gräns 2 000).

Utläckta koncentrationer av krom, bly och tallium i dessa batterier överstiger också Kaliforniens regleringsgränser. Förutom att de ger toxicitet för människor och den omgivande ekologin, leder Li‑ion‑batterier även till resursutarmning, en allvarlig oro för vår framtid.

Klicka här för att lära dig allt om batteritekniken.

Hur kan man återvinna defekta battericeller?

De faror som kassering av defekta battericeller innebär kräver återvinning. Dock kan återvinning av en defekt batteri vara riskabelt. Felaktig hantering av defekta battericeller kan orsaka kortslutning, brand och frigöra giftiga gaser.

Nyckeln ligger i effektiva återvinningsmetoder, som inte bara kan förhindra föroreningar utan också skapa möjligheter att generera en hållbar sekundär ström av kritiska material. En sådan effektiv metod för återvinning av litium‑jon‑batterier har utvecklats av forskare vid Department of Energy:s Oak Ridge National Library.

Lösningen involverar att blötlägga det uttjänta batteriet i en lösning av naturligt förekommande citronsyra, organiskt närvarande i citrusfrukter. Citronsyralösningen är löst i etylenglykol, och blandningen hjälper till att genomföra en mycket effektiv separations- och återvinningsprocess för att separera metaller från katoden, den positivt laddade elektroden i batteriet.

En effektiv återvinningsprocess för katoden innebär minskade batterikostnader eftersom katoden står för mer än 30 % av batterikostnaden på grund av dess innehav av kritiska material. Återvinningsmetoden kan lösa ut nästan allt kobolt och litium från katoden utan att förorena systemet. Den kan återvinna mer än 96 % av koboltet på några timmar. Det finns inget behov av att tillsätta fler kemikalier för att manuellt balansera surhetsnivåerna.

Enligt Lu Yu, den ledande forskaren i projektet:

 “Detta är första gången ett lösningssystem har omfattat funktionerna både för löslning och återvinning.”

Förutom sådana laboratoriebaserade forskningsinsatser, som kommer att skalas upp till produktion i framtiden, har flera företag redan tagit på sig uppgiften att återvinna defekta och kassade litium‑jon‑batterier. Vi kommer att titta på några av dem i följande avsnitt.

1. American Battery Technology Company

American Battery Technology Company har utvecklat en sluten kretslopp för batteriåtervinning för att separera och återvinna kritiska material från batterier som närmar sig slutet av sin användbara livslängd. Deras insatser stannar dock inte vid separation och återvinning.

Processen innebär att rena dessa batterimetaller till samma eller högre kvalitetsstandarder. Enligt företaget har deras system flera konkurrensfördelar. Den strategiska designen säkerställer noll högtemperaturoperationer och förhindrar utsläpp av luft- och vätskeföroreningar. Dessutom matchar återvinningsanläggningarna produktionsanläggningarnas genomströmning, vilket genererar minimalt avfall och kräver låga kapitalkostnader för uppstart.

Det första kvartalet av 2024 års finansiella rapport, som publicerats av företaget, listade dess viktigaste milstolpar mot intäktsgenererande verksamhet. Anmärkningsvärt är att företaget har designat, driftsatt och påbörjat verksamheten vid sin första kommersiella återvinningsanläggning i skala, med en nominell genomströmning på 20 000 metriska ton per år.

Företaget har också säkrat två DOE‑bidrag från USA under kontrakt och blev nyligen berättigat till två ytterligare bidrag, totalt 70 miljoner US‑dollar i kontrakterade federala medel. Det listade framgångsrikt sina aktier och började handlas på Nasdaq den 21 september 2023.

Vid skrivande stund var American Battery Technology Company:s aktiekurs $3,99 och hade ett börsvärde på över 188 miljoner dollar.

2. Lithion Technologies

Lithion Technologies producerar hållbart strategiska material från Li‑ion‑batterier. Dess teknik kan återvinna upp till 95 % av komponenterna i dessa batterier.

Vid mekanisk extraktion kan Lithion återvinna mer än 98 % av mineralkoncentratet. Det kritiska mineralkoncentratet bearbetas sedan genom deras patenterade hydrometallurgiteknik. Denna process möjliggör återvinning av viktiga material såsom litium, kobolt, nickel, grafit och mangan.

Anmärkningsvärt påstår Lithion att deras tekniker ger en avsevärt mindre miljöpåverkan jämfört med traditionell gruvutvinning. Deras växthusgasutsläpp är 75 % lägre än vid gruvutvinning, och de minskar dessutom vattenförbrukningen med imponerande 90 %.

I april 2022 fick Lithion $22,5 miljoner dollar i finansiering från Quebecs regering, inklusive en aktieinvestering på 15 miljoner i företagets kapitalstock genom Investissement Québec och 7,5 miljoner dollar i bidrag från Fonds d’électrification et de changements climatiques.

3. Ecobat

Ecobat verkar genom ett omfattande nätverk av 65 000 insamlingspunkter för att hantera batterier i slutet av sin livscykel som en del av deras återvinningslösningar för energilagring. Företaget har hittills samlat nästan 15 000 medlemmar eller kunder och återvinner 120 miljoner batterier per år.

För insamling från de angivna punkterna har Ecobat en egen flotta på 100 fordon. Med 11 smältverk hanterar de litiumbatterier, blybatterier och andra batterikemi. Ecobat har också en sluten kretslopp för återvinning, där 80 % av återvinningen återförs till batteritillverkning. De lovar dessutom en återvinningsgrad på 99 %.

Ecobat påstår sig vara världens största batteriåtervinnare som uppfyller grundläggande energilagringsbehov genom att göra batteriverksamheten säkrare och mer hållbar för en cirkulär energiekonomi. År 2021 återvann Ecobat’s blybatteriverksamhet fullt ut 70 miljoner bilbatterier.

4. Cirba Solutions

Cirba Solutions har sammanlagt 60 år av återvinnings erfarenhet med tre varumärken – Battery Solutions, Heritage Battery Recycling och Retriev Technologies – under sin ledning. Företaget är en av pionjärerna inom återvinning av litiumbatterier med ett eget batteriåtervinningsteam, batterifokuserad logistik, sluten livscykel och anläggningar för litiumbehandling.

Företaget har en specialiserad återvinningsprocess som involverar tvärkemiska lösningar för både koboltbaserade och icke‑koboltbaserade beståndsdelar. Hittills har de bearbetat mer än 36 miljoner pund litium‑jon under mer än 30 år.

Enligt de senaste tillgängliga uppgifterna har Cirba samlat in US$50 miljoner i sin senaste företagsrunda den 9 februari 2023.

Bortskaffande av defekta battericeller: Framtidsutsikterna

Förekomsten av litium‑jon‑batterier, som är nödvändiga för att driva elfordon och moderna konsumentelektronikprodukter, kommer bara att bli alltmer utbredd. Statistiskt sett kommer den globala efterfrågan på litium‑jon‑batterier mellan 2022 och 2030 att öka nästan sju gånger och nå 4,7 TWh år 2030.

När det gäller produktion har Kina kontroll över mer än tre fjärdedelar av världens kapacitet. Nordamerika och Europa kommer inte att ligga efter länge, då de också siktar på en betydande upptrappning av produktionen. Detta är anledningen till att samordnade och välkoordinerade globala insatser krävs för att säkerställa att batteriåtervinning blir en tillgänglig och hållbar process, och först då kan vi rädda världen från föroreningar och risker för resursutarmning.

Kina, till exempel, håller biltillverkare ansvariga för ”livscykelhanteringen” av fordonbatterier. Europeiska unionen ligger inte långt efter, då den också har fastställt standarder för insamling och återvinning av batterier.

Allt fler innovationer inom sekundärlivstillämpningar av dessa batterier kommer att hjälpa till att undvika de förestående farorna med ineffektiv återvinning. Låt oss avsluta med att titta på ett sådant exempel. Ett energilagringssystem vid Johan Cruijff Arena i Amsterdam utnyttjar motsvarande av 148 nya och använda Nissan LEAF‑batterier för att samla energi från 4 200 solpaneler och lagra upp till 3 megawatt kraft. Denna insamling räcker för att ladda ett halvt miljon iPhone‑enheter som reserv.

Sammanfattningsvis kräver uppfyllandet av målen på global skala ett aktivt deltagande från alla. Biltillverkare, tillverkare av konsumentelektronik, globala ekonomiska organ, nationella råd – alla måste låna sin röst till hållbar och effektiv återvinning och återvinning av defekta battericeller.

Klicka här för att lära dig hur elfordon inte bara kan hjälpa jorden utan också rädda liv.