Optimalisatie van de batterijrecycling-kringloop

Omdat de wereld steeds meer richting groene technologieën en hernieuwbare energiebronnen gaat, stijgt de vraag naar batterijen snel. Dit geldt met name voor lithium-ion (Li-ion) batterijen, die de voeding zijn voor een groot aantal apparaten, zoals smartphones, elektrische voertuigen (EV's) en energieopslagsystemen. Door de toenemende afhankelijkheid van Li-ion-batterijen is echter een duurzame batterijtoeleveringsketen noodzakelijk alsmede een strategie om het resulterende afvalmateriaal te beheren, omdat steeds meer batterijen aan het einde van hun levensduur komen.

Li-ion-batterijen kunnen worden gerecycled via drie belangrijke methoden: pyrometallurgie, hydrometallurgie of directe recycling, en delen van deze processen kunnen ook worden gecombineerd. Meestal zijn er bij deze technieken voorbehandelingsstappen nodig voordat een batterij kan worden gerecycled, bestaande uit ontladen of deactiveren, demontage en afscheiding.

Elektrische ontlading is mogelijk als de restenergie van een Li-ion-batterij economisch kan worden opgeslagen. Anders is deactivering door onderdompeling in een inerte waterige oplossing vereist om ontbranding te voorkomen. Ontladen of gedeactiveerde batterijen kunnen handmatig worden gedemonteerd om hun componenten te bewaren. Dit proces is echter tijdrovend en het stelt medewerkers bloot aan gevaarlijke materialen. De eenvoudigste methode voor demontage is het shredden of vermalen van batterijen in kleine fragmenten, vaak uitgevoerd in een vacuüm of inerte atmosfeer. Dit sluit echter uit, dat de stroomcollectoren en de batterijbehuizing intact blijven, wat leidt tot hogere downstream-recyclingkosten.

Na een voorbehandeling worden de Li-ion-batterijen verder bewerkt voor het afscheiden van waardevolle metalen, zoals lithium, kobalt, mangaan, koper, nikkel en ijzer.

Bij pyrometallurgische processen worden de materialen blootgesteld aan hoge temperaturen in een inerte omgeving om ontbranding te voorkomen. Dit proces is ongecompliceerd, schaalbaar en efficiënt voor het terugwinnen van kobalt, mangaan, koper, nikkel en ijzer. Er zijn echter grote hoeveelheden energie voor nodig, waardoor er minder lithium wordt teruggewonnen dan bij andere technieken. Een hogere zuiverheid van teruggewonnen metalen kan worden bereikt door het combineren van pyrometallurgische met hydrometallurgische processen.

Hydrometallurgie maakt gebruik van een waterige oplossing voor het ioniseren van actieve materialen, waarbij metalen worden verwijderd door uitloging met zuren, basen of bio-organische materialen. Deze methode zorgt voor een nauwkeurige terugwinning, een hogere productzuiverheid en een aanzienlijk lager energieverbruik dan pyrometallurgie. Het gebruik van gevaarlijke chemicaliën zorgt echter voor veiligheidsrisico's, zowel voor het personeel als het milieu. Daarom is een zorgvuldig beheer van afvaloplossingen en toxisch-gasafvang noodzakelijk om deze risico's in te dammen.

In tegenstelling tot traditionele methoden waarbij het kathodemateriaal in zijn elementen wordt ontleed, richt de directe recycling, of "kathode naar kathode recycling," zich op het afscheiden en verjongen van het gebruikte materiaal. Deze methode wordt toegepast om de capaciteit van Li-ion-batterijen te herstellen.

Directe recycling vereist minder voorbehandelingsstappen en chemische oplosmiddelen vergeleken met pyrometallurgie en hydrometallurgie. Deze methode produceert zuiverdere producten, waardoor de vraag naar gedolven materialen daalt en draagt bij aan een duurzamere circulaire batterij-economie. Een significante beperking van directe recycling is de afhankelijkheid van één enkel kathodetype. Door ontbrekende standaardisatie voor de batterijconstructie en de chemische celeigenschappen is een nauwgezette componentscheiding belangrijk voor de succesvolle implementatie van het proces.

Bioleaching is een nieuwe recyclingmethode, maar het is nog onzeker of deze op grote schaal haalbaar is. In dit proces worden specifieke batterijmineralen teruggewonnen met behulp van bacteriën. Bioleaching is succesvol gebruikt in de mijnbouwindustrie en het kan dienen als aanvullend proces bij hydrometallurgie en pyrometallurgie.

Gerobotiseerde demontage van gebruikte batterijen is een zich snel ontwikkelende technologie met een veelbelovend potentieel. Bij deze methode worden batterijen geautomatiseerd ontmanteld om de efficiëntie te vergroten en de gevaren van menselijke blootstelling aan toxische batterijmaterialen te verminderen. Ondanks significante vorderingen heeft de gerobotiseerde demontage van gebruikte batterijen nog te maken met uitdagingen, die te maken hebben met de afwijkingen bij de batterijconstructie en de niet-gestandaardiseerde componenten, zoals flexibele kabels die op verschillende plaatsen batterijen verbinden. Geavanceerde algoritmen die adaptief en intelligent kunnen werken, zijn essentieel om deze problemen aan te pakken. Geautomatiseerde optimalisatie is noodzakelijk om deze en andere complexe demontageproblemen op te lossen, met name omdat de batterijrecycling zich verder moet ontwikkelen.

Efficiëntere demontagetechnieken en de mogelijkheid om hele componenten terug te winnen, verminderen de behoefte aan nieuwe materialen voor het maken van nieuwe batterijen. Hierdoor wordt ook de CO2-voetafdruk van de batterijvervaardiging kleiner, terwijl de totale capaciteit van de batterijtoeleveringsketen wordt vergroot.

Hoewel deze batterijrecyclingprocessen effectief zijn voor de terugwinning van Li-ion-batterijmineralen, blijven er zorgen over het milieu en de veiligheid. Zo worden er bij de chemische processen van de hydrometallurgische recycling zuren, sterke oplosmiddelen, toxische chemicaliën en andere potentieel gevaarlijke substanties gebruikt. Deze moeten zorgvuldig worden beheerd, om lichamelijk letsel of milieuschade te voorkomen. Bovendien zijn er voor bepaalde mechanische en chemische recyclingmethoden hoge temperaturen en hoog energieverbruik nodig. Dit draagt bij aan de totale CO2-voetafdruk van het recyclingproces, waardoor er vraagtekens worden gezet bij de eigenlijke duurzaamheid.

Verder worden de meeste lithium-ion-batterijen geclassificeerd als gevaarlijk afval aan het einde van hun levensduur om diverse redenen, die te maken hebben met hun chemische eigenschappen, brandgevaarlijkheid en negatieve milieu-effecten. Veiligheid van het personeel is van het grootste belang tijdens de demontage en verwerking van batterijen. Blootstelling aan toxische materialen en het risico van brand of explosies maakt strenge veiligheidsprotocollen noodzakelijk. Het aangaan van deze uitdagingen is belangrijk om de batterijrecycling efficiënter, veiliger, milieuvriendelijker en op de lange termijn economisch haalbaarder te maken.

Voor het bereiken van een circulaire batterij-economie moeten vrijwel alle actieve materialen, kunststoffen en metaalfolies van de batterijconstructie worden teruggewonnen. Dit gaat verder dan traditionele recycling en vraagt om heroverweging van de constructie, het gebruik en de afvoer van batterijen. Duurzaam batterijbeheer is van belang voor het realiseren van een gesloten-kringloopsysteem en het maximaliseren van herbestemming of recycling.

Een aanpak is second-life-toepassingen, waarbij gebruikte batterijen worden herbestemd voor minder veeleisende toepassingen, zoals energieopslagsystemen voor hernieuwbare energie. Hierdoor wordt de levensduur van de batterij verlengd en de behoefte aan nieuwe batterijen verkleind, waardoor ook de vraag naar verwerkte mineralen afneemt.

Politiek en regelgeving spelen ook een belangrijke rol bij het sluiten van de batterijkringloop. Overheden en regelgevende organen moeten normen en stimuleringsmaatregelen ontwikkelen die een correcte afvoer en recycling van batterijen alsmede het gebruik van gerecyclede materialen in nieuwe batterijen stimuleren. Het ontwikkelen van redelijke statuten vereist samenwerking van beleidsmakers, industriebelanghebbenden en eindgebruikers als ondersteuning van een duurzaam batterij-ecosysteem.

Batterijen van elektrische auto's, hoofdzakelijk Li-ion, kunnen worden gerecycled met behulp van de beschreven processen. Door hun grootte, gewicht en complexiteit van EV-batterijen zijn de uitdagingen voor een terugwinning van mineralen echter vele malen groter.

Hoewel er capaciteitsproblemen zijn, verbetert de effectiviteit van de EV-batterij-recycling snel dankzij de eerder genoemde innovaties. De batterijrecycling op grote schaal wordt een steeds belangrijker onderzoeksgebied, omdat het snel groeiende aantal batterijen toekomstig moet worden gerecycled. Dit aantal groeit als gevolg van recordaantallen verkochte EVs en het toenemende aantal batterij-energieopslagsystemen.

Li-ion-batterijrecycling-poederfabrieken winnen waardevolle materialen terug uit gebruikte batterijen, door ze in poedervorm om te zetten. Deze fabrieken worden steeds gewoner voor hergebruik in nieuwe batterijen. Hier wordt het uiteindelijke “zwarte massa”-poeder van gedemonteerde batterijen ontleed in de constituente elementen voor een betere terugwinning van de mineralen. Dit wordt doorgaans bereikt door een behandeling met intense hitte, zoals het smelten of roosten (pyrometallurgie), of door chemisch uitlogen (hydrometallurgie). Hoewel een warmtebehandeling eenvoudiger is, worden hierbij componenten met een lagere zuiverheid verkregen dan bij uitlogen. Daarom wordt vaak een combinatie van beide methoden toegepast, om de voordelen van beide te hebben.

Li-ion-batterijrecycling-poederfabrieken laten het potentieel zien van geavanceerde recyclingtechnologieën voor het sluiten van de kringloop in de batterijtoeleveringsketen. Terugwinning van zeer zuivere materialen in herbruikbare vorm helpt de behoefte aan gedolven mineralen verminderen, waardoor de milieu-effecten van de batterijproductie worden gereduceerd.

Batterijrecycling is essentieel voor het duurzaam beheer van natuurlijke hulpbronnen in een wereld die steeds meer afhankelijk is van niet-fossiele brandstof-energiebronnen. Hoewel het proces en gerelateerde technologieën zich snel ontwikkelen, zijn er nog uitdagingen. Door continue innovatie en samenwerking beweegt de industrie echter steeds meer in de richting van het bereiken van gesloten-kringloopsystemen waarin de waarde van gebruikte batterijen wordt gemaximaliseerd. Intussen minimaliseert deze aanpak de milieu-effecten van de productie van nieuwe batterijen.