Oorspronkelijk gepubliceerd op Idaho National Laboratory
Door Hank Hogan voor INL Communications &Outreach
Lithium-ionbatterijen hebben geleid tot een revolutie in consumenten- en industriële elektronica die de weg heeft vrijgemaakt voor een draadloze toekomst met minder CO2-uitstoot.
Toch vormt de lichtgewicht, oplaadbare energiebron voor alles, van mobiele telefoons tot elektrische voertuigen, één grote milieu-uitdaging:hoe gooi je een batterij weg als deze niet langer bruikbaar is?
Gewoon op een vuilstort gooien is zowel gevaarlijk als verspillend. Branden kunnen ontstaan wanneer bulldozers over batterijen rijden terwijl ze aarde en puin verplaatsen. Bovendien bevatten lege batterijen waardevolle elementen zoals kobalt, lithium en mangaan, in hogere concentraties dan in commerciële ertsen.
Recycling kan daarom in potentie een big business worden, een die meegroeit met het elektrische wagenpark. Experts zeggen dat er in 2040 wereldwijd 500 miljoen elektrische personenauto's op de weg zullen zijn (bijna een derde van de voorspelde passagiersvloot). Tegen die tijd zal de waarde van de grondstoffen in lithium-ionbatterijen aan het einde van hun levensduur zijn gestegen van ongeveer $ 0,3 miljard in 2020 tot $ 1,1 miljard in 2025 en bijna $ 24 miljard in 2040.
RECYCLING MET MINDER HITTE EN CHEMICALIN
In het licht van deze groeiende uitdagingen en kansen wil Idaho National Laboratory (INL) de recycling van lithium-ionbatterijen eenvoudiger, efficiënter en mogelijk groener maken. Bemoedigende resultaten van deze inspanningen zijn onlangs verschenen in het tijdschrift Resources, Conservation and Recycling.
Recycling kan de toeleveringsketen voor batterijfabrikanten versterken door de noodzaak om voor nieuwe materialen afhankelijk te zijn van mogelijk onbetrouwbare bronnen te verminderen. Daarom werd het onderzoek gefinancierd door het Critical Materials Institute van het Department of Energy. Een doel van het instituut is het diversifiëren van de levering van kritische energiematerialen, onder meer door hergebruik en recycling.
Nissan Leaf-batterij, 2014 met dank aan Nissan
Tegenwoordig wordt naar schatting slechts 5% van de lithium-ionbatterijen gerecycled. Dat komt tot op zekere hoogte omdat het proces gedeeltelijk handmatig is, hoge temperatuur en bijtende chemicaliën bevat en inefficiënt is, volgens Tedd Lister, een wetenschappelijk medewerker van INL en co-auteur van papers.
In hun paper rapporteerden de onderzoekers proof-of-principle voor een andere benadering van batterijrecycling, een die werkt bij kamertemperatuur en het gebruik van chemicaliën aanzienlijk vermindert.
Lithiumtoeleveringsketen - een analyse van handelsstromen van lithiummijnen naar fabrieken.
Credit voor grafiek van Joule 1, 229–243, 11 oktober 2017.
Het nieuwe proces is elektrochemisch, zei Lister. Dus in plaats van warmte komt de energie van elektriciteit, die de reacties aandrijft die het kobalt, lithium, mangaan en andere materialen uit de batterijen logen. De onderzoekers demonstreerden de aanpak in een cel die enkele centimeters aan de zijkant meet, klein genoeg om te worden opgepakt.
De wetenschappers begonnen met versnipperde lithium-ionbatterijen, met materiaal geleverd door Retriev Technologies uit Lancaster, Ohio. Retriev, een bedrijf voor het recyclen en beheren van batterijen, nam ook deel aan het onderzoek, net als Solvay, een in Brussel gevestigd bedrijf dat de chemicaliën leverde die worden gebruikt voor metaalscheiding.
Na de ontwikkeling van het elektrochemische proces, hebben de wetenschappers het uitgeprobeerd en ontdekten dat ze hoge recyclingpercentages konden bereiken. Ze rapporteerden een efficiëntie van meer dan 96% in termen van gewonnen kobalt, lithium, mangaan en nikkel, die het proces verlaten in een enkele outputstroom. Daarentegen zet koper - een metaal met een hoge commerciële waarde - zich af op de kathode, wat het stroomafwaartse scheidingsproces vereenvoudigt, zei Lister.
Een voorlopige kostenanalyse wees uit dat de energie- en chemicaliënkosten ongeveer 80% lager waren dan de huidige recyclingtechnieken.
Toekomstplannen omvatten de ontwikkeling van een elektrochemische procedure om de output van het uitloogproces te scheiden in kobalt, lithium, mangaan en nikkel. Het team onderzoekt ook hergebruik voor een ander cruciaal materiaal, grafiet, dat overblijft en mogelijk kan worden gerecycled.
Zowel de uitloog- als scheidingsprocessen moeten dan worden opgeschaald naar een maat die bruikbaar is in een industriële omgeving. Een deel van deze inspanning omvat het optimaliseren van de uitlogings- en scheidingsprocessen door parameters aan te passen om de prestaties en efficiëntie te verbeteren. Naast projectpartner Retriev zijn INL-wetenschappers geïnteresseerd om samen met commerciële partners aan deze volgende stappen te werken.
Ten slotte zou dit type batterijrecycling gebruik kunnen maken van de overtollige energie die soms wordt geproduceerd door elektriciteitscentrales van nutsbedrijven.
"Je gebruikt de energie om een product te maken dat later zal worden gebruikt om energie te produceren", zegt Luis Diaz Aldana, de hoofdauteur van het artikel en een elektrochemisch ingenieur/wetenschapper van INL.
Oorspronkelijk gepubliceerd op Idaho National Laboratory
Uitgelichte afbeelding via het Amerikaanse ministerie van Energie.
