Optimering av kretsloppet för batteriåtervinning

I takt med att världen går över till grön teknik och förnybara energikällor växer efterfrågan på batterier snabbt. Det gäller särskilt litiumjonbatterier, som driver en mängd olika komponenter, bland annat smarttelefoner, elfordon och energilagringssystem. Det ökande beroendet av litiumjonbatterier kräver dock en hållbar distributionskedja för batterier och en strategi för att hantera det avfallsmaterial som uppstår i takt med att fler batterier når slutet av sin livslängd.

Litiumjonbatterier kan återvinnas genom tre huvudsakliga metoder: pyrometallurgi, hydrometallurgi eller direkt återvinning, och delar av dessa tre processer kan även kombineras. I de flesta fall kräver dessa tekniker förbehandlingssteg innan ett batteri kan återvinnas, närmare bestämt urladdning eller inaktivering, demontering och separering.

En elektrisk urladdning kan uppnås när ett litiumjonbatteris kvarvarande energi kan lagras ekonomiskt. Annars krävs inaktivering genom nedsänkning i en inert vattenhaltig lösning för att förhindra förbränning. Urladdade eller inaktiverade batterier kan demonteras manuellt så att man kan ta tillvara på komponenterna. Denna process är dock tidskrävande och utsätter arbetare för farliga material. Den enklaste metoden för demontering är att strimla eller krossa batterierna till små fragment, vilket ofta sker i ett vakuum eller en inert atmosfär. Detta förhindrar dock intakt separering av strömavtagare och batterihölje, vilket leder till högre återvinningskostnader nedströms.

Efter förbehandling genomgår litiumjonbatterierna vidare bearbetning där man utvinner värdefulla metaller, såsom litium, kobolt, mangan, koppar, nickel och järn.

Pyrometallurgi kräver att man utsätter materialen för höga temperaturer i en inert atmosfär för att undvika förbränning. Denna process är okomplicerad, skalbar och effektiv för återvinning av kobolt, mangan, koppar, nickel och järn. Det krävs dock stora mängder energi, vilket ger en lägre mängd utvunnet litium jämfört med andra tekniker. Utvunna metaller med högre renhet kan uppnås genom att man kombinerar pyrometallurgi och hydrometallurgi.

Vid hydrometallurgi används en vattenhaltig lösning för att jonisera aktiva material. Metaller avlägsnas då genom lakning med syror, alkalier eller bioorganiska material. Denna metod ger exakt återvinning, högre produktrenhet och avsevärt lägre energiförbrukning än pyrometallurgi. Användningen av farliga kemikalier medför dock säkerhetsrisker, både för personal och miljö. Därför krävs varsam hantering av avfallslösningar och infångning av giftiga gaser för att minska dessa risker.

Till skillnad från traditionella metoder som bryter ner katodmaterialet till dess beståndsdelar fokuserar direkt återvinning, eller ”katod till katod-återvinning”, på att separera och föryngra det material som används. Detta tillvägagångssätt används för att återställa litiumjonbatteriers kapacitet.

Direkt återvinning kräver färre förbehandlingssteg och kemiska lösningsmedel jämfört med pyrometallurgi och hydrometallurgi. Den här metoden ger produkter med högre renhet, minskar behovet av utvunnet material och bidrar till en mer hållbar cirkulär batteriekonomi. En avsevärd begränsning med direkt återvinning är dess beroende av en enda katodtyp. På grund av bristen på standardisering inom batteriutformning och cellkemi är noggrann separering av komponenter kritiskt för en framgångsrik implementering av processen.

Biolakning är en framväxande återvinningsmetod, men det är ännu osäkert hur bärkraftig denna metod är i stor skala. I den här processen återvinns specifika batterimineraler med hjälp av bakterier. Biolakning har framgångsrikt använts inom gruvindustrin och kan fungera som ett komplement till hydrometallurgi och pyrometallurgi.

Automatiserad demontering av förbrukade batterier är en teknik under snabb utveckling och med lovande potential. Metoden automatiserar processen för demontering av batterier för att öka effektiviteten och minska risken för att människor exponeras för giftiga batterimaterial. Trots betydelsefulla framsteg står automatiserad demontering av förbrukade batterier fortfarande inför utmaningar avseende varierande batteritutformning och icke-standardiserade komponenter, såsom flexibla kablage på olika ställen på olika batterier. Avancerade algoritmer som är kapabla till adaptiv och intelligent drift krävs för att hantera dessa komplexa aspekter. Optimering av automation krävs för att lösa dessa och andra komplexa demonteringsproblem, särskilt eftersom behovet av batteriåtervinning fortsätter att öka.

Mer effektiva demonteringstekniker och möjligheten att rädda hela komponenter gör att behovet av nya material för att tillverka nya batterier minskar. Det minskar i sin tur batteritillverkningens klimatavtryck samtidigt som det ökar kapaciteten i distributionskedjan för batterier.

Även om dessa batteriåtervinningsprocesser är effektiva för återvinning av mineraler från litiumjonbatterier finns det säkerhets- och miljöaspekter att ta hänsyn till. Den kemiska processen som används i hydrometallurgisk återvinning innefattar till exempel användning av syror, starka lösningsmedel, giftiga kemikalier och andra potentiellt farliga ämnen. De måste hanteras varsamt för att förhindra personskador eller miljöföroreningar. Dessutom kräver vissa mekaniska och kemiska återvinningsprocesser höga temperaturer och hög energiförbrukning. Det bidrar till återvinningsprocessens övergripande klimatavtryck, vilket väcker frågor om dess faktiska hållbarhet.

Dessutom klassas de flesta litiumjonbatterier som farligt avfall i slutet av deras livslängd av flera orsaker som är kopplade till deras kemi, brandfarliga egenskaper och negativa miljöpåverkan. Arbetarnas säkerhet är av yttersta vikt under demontering och hantering av batterier. Exponering för giftiga material och risken för brand eller explosion kräver att man följer stränga säkerhetsrutiner. Det är avgörande att hantera dessa utmaningar för att göra batteriåtervinning effektivare, säkrare, mer miljövänlig och mer ekonomiskt bärkraftig över tid.

För att uppnå en cirkulär batteriekonomi krävs en nästan fullständig återvinning av aktiva material, plast och metallfolie som används vid batteritillverkning. Det sträcker sig bortom traditionell återvinning, vilket kräver att man tänker om avseende konstruktion, användning och kassering av batterier. Hållbar batterihantering är avgörande för att etablera ett slutet system och maximera återanvändning och återvinning.

Ett tillvägagångssätt är att förbrukade batterier får ett andra liv och återanvänds i mindre krävande tillämpningar, såsom energilagringssystem för förnybar energi. Det förlänger batteriernas livslängd och minskar behovet av nya batterier, vilket i sin tur minskar behovet av bearbetade mineraler.

Politiska beslut och regelverk spelar också en avgörande roll i att sluta batterikretsloppet. Regeringar och tillsynsmyndigheter behöver etablera standarder och incitament som uppmuntrar till korrekt kassering av batterier, återvinning och användning av återvunna material i nya batterier. Utarbetande av motiverade lagar kräver samarbete mellan beslutsfattare, branschintressenter och slutanvändare för att främja ett hållbart ekosystem för batterier.

Batterier från elbilar, främst litiumjonbatterier, kan återvinnas genom de processer som beskrivs ovan. Elbilsbatteriernas storlek, vikt och komplexitet gör dock att utmaningarna med mineralåtervinning ökar.

Trots kapacitetsutmaningar blir återvinningen av elbilsbatterier snabbt effektivare tack vare de innovationer som har nämnts tidigare. Batteriåtervinning i stor skala blir ett allt viktigare forskningsområde på grund av det snabbt växande antalet batterier som behöver återvinnas i framtiden. Denna siffra ökar proportionellt när rekordmånga elfordon tar sig ut på vägarna och i takt med att antalet batteribaserade energilagringssystem ökar.

Pulveranläggningar för återvinning av litiumjonbatterier utvinner värdefulla material ur förbrukade batterier genom att omvandla dem till pulverform. Dessa anläggningar blir allt vanligare för återanvändning av materialen i nya batterier. De reducerar den resulterande ”svarta massan” från kasserade batterier till dess beståndsdelar för ökad mineralåtervinning. Detta uppnås vanligen genom högintensiv värmebehandling, såsom smältning eller rostning (pyrometallurgi) eller genom kemisk lakning (hydrometallurgi). Även om värmebehandling är mer okomplicerad ger den komponenter med lägre renhet jämfört med lakning. Därför används ofta en kombination av båda metoderna, vilket gör att man kan utnyttja fördelarna med båda.

Pulveranläggningar för återvinning av litiumjonbatterier visar på vilken potential som finns i avancerade återvinningstekniker för att sluta kretsloppet i distributionskedjan för batterier. Återvinning av material med hög renhet till återanvändbara former bidrar till att minska behovet av utvunna material, vilket minskar batteritillverkningens miljöpåverkan.

Batteriåtervinning är avgörande för hållbar hantering av resurser i en värld som blir allt mer beroende av fossilfria energikällor. Även om processerna och tillhörande tekniker utvecklas snabbt kvarstår en del utmaningar. Genom kontinuerlig innovation och samarbete närmar sig dock branschen ett slutet system som maximerar förbrukade batteriers värde. Under tiden innebär detta en minimerad miljöpåverkan från tillverkningen av nya batterier.