Optimering af batteriets genvindingskredsløb

I takt med at verden omstiller sig til grønne teknologier og vedvarende energikilder, stiger efterspørgslen efter batterier kraftigt. Dette gælder især litium-ion-batterier (Li-ion-batterier), der driver en lang række forskellige komponenter, herunder smartphones, elbiler og energilagringssystemer. Den voksende afhængighed af Li-ion-batterier kræver en bæredygtig batteriforsyningskæde og en strategi for, hvordan man håndterer affaldsmaterialet, når batterierne når endt levetid.

Li-ion-batterier kan genvindes ved hjælp af tre primære metoder: pyrometallurgi, hydrometallurgi eller direkte genvinding, og dele af disse processer kan også kombineres. Før et batteri kan genvindes, kræver disse teknikker i de fleste tilfælde, at der gennemføres visse forbehandlingstrin i form af afladning eller inaktivering, demontering og adskillelse.

En elektrisk afladning kan opnås, når et Li-ion-batteris restenergi kan lagres på en økonomisk måde. Ellers er inaktivering ved nedsænkning i en inert vandig opløsning påkrævet for at forhindre forbrænding. Afladede eller inaktiverede batterier kan adskilles manuelt for at bevare deres komponenter. Denne proces er dog tidskrævende og udsætter medarbejderne for farlige materialer. Den enkleste adskillelsesmetode er at findele eller knuse batterierne i små fragmenter, der ofte udføres i en atmosfære med vakuum eller i en inert atmosfære. Dette udelukker dog en intakt adskillelse af strømaftagere og batterihuse, hvilket medfører højere omkostninger i de efterfølgende led.

Efter en forbehandling gennemgår Li-ion-batterierne yderligere behandling for at genvinde værdifulde metaller som f.eks. litium, kobolt, mangan, kobber, nikkel og jern.

Pyrometallurgiske processer kræver, at materialerne udsættes for høje temperaturer i et inert miljø for at undgå forbrænding. Denne proces er ligetil, skalerbar og effektiv i forhold til genvinding af kobolt, mangan, kobber, nikkel og jern. Dog kræver den store mængder energi, hvilket giver et mindre udbytte af genvundet litium end andre teknikker. Højere renhed af genvundne metaller kan opnås ved at kombinere pyrometallurgiske processer med hydrometallurgiske processer.

Hydrometallurgi udnytter en vandig opløsning til at ionisere aktive materialer, hvorved metaller fjernes gennem udvaskning med syrer, alkalier eller bioorganiske materialer. Denne metode giver en præcis genvinding, højere produktrenhed og et betydeligt lavere energiforbrug end pyrometallurgi. Dog medfører brugen af farlige kemikalier en sikkerhedsrisiko, både for medarbejdere og for miljøet. Derfor er en omhyggelig håndtering af affaldsløsninger og opfangning af giftige gasser nødvendigt for at mindske disse risici.

I modsætning til traditionelle metoder, der nedbryder katodematerialet i dets bestanddele, fokuserer direkte genvinding eller "katode til katode-genvinding" på at adskille og renovere det brugte materiale. Denne tilgang bruges til at gendanne Li-ion-batteriernes kapacitet.

Direkte genvinding kræver færre forbehandlingstrin og kemiske opløsningsmidler sammenlignet med pyrometallurgi og hydrometallurgi. Denne metode genererer produkter med en højere renhed, hvilket reducerer behovet for udvundne materialer og bidrager til en mere bæredygtig cirkulær batteriøkonomi. En væsentlig begrænsning for direkte genvinding er, at denne metode afhænger af en enkelt katodetype. Fordi der ikke findes nogen standardisering inden for batteridesign og cellekemi, er en omhyggelig adskillelse afgørende for en vellykket implementering af processen.

Bio-udvaskning er en ny genvindingsmetode, men om den er levedygtig i stor skala forbliver uvist. I denne proces genvindes bestemte batterimineraler ved hjælp af bakterier. Bio-udvaskning har været anvendt med succes i mineindustrien og er en proces, der kan bruges som supplement til hydrometallurgi og pyrometallurgi.

Adskillelse af batterier ved hjælp af robotter er en teknologi, som udvikler sig hurtigt, og som har et lovende potentiale. Denne metode automatiserer batteriadskillelsesprocessen for at øge effektiviteten og reducerer farerne forbundet med, at mennesker eksponeres for giftige batterimaterialer. Til trods for betydelige fremskridt er adskillelse af brugte batterier ved hjælp af robotteknologi stadig udfordret som følge af variationer i batteriernes konstruktion og ikke-standardkomponenter som f.eks. bøjelige ledninger placeret forskellige steder fra batteri til batteri. Avancerede algoritmer, der kan bruges adaptivt og intelligent, er afgørende for at løse disse komplekse forhold. Optimering af automatisering er nødvendig for at løse disse og andre komplekse problemer forbundet med adskillelse, især fordi behovet for at genvinde batterier bliver ved med at stige.

Mere effektive adskillelsesteknikker og muligheden for at genbruge hele komponenter gør, at behovet for nye materialer til produktion af nye batterier falder. Dette sænker efterfølgende batteriproduktionens CO₂-aftryk, samtidig med at den samlede kapacitet i batteriforsyningskæden bliver større.

Selv om disse genvindingsprocesser for batterier er effektive til genvinding af Li-ion-batterimineraler, er der stadig miljø- og sikkerhedsproblemer. Eksempelvis indebærer de kemiske processer, der anvendes i hydrometallurgisk genvinding, at der bruges syrer, stærke opløsningsmidler, giftige kemikalier og andre potentielt farlige stoffer. De skal håndteres forsigtigt for at forhindre miljøforurening eller skader på mennesker. Derudover kræver bestemte mekaniske og kemiske genvindingsmetoder høje temperaturer og et højt energiforbrug. Dette bidrager til genvindingsprocessens samlede CO₂-aftryk og giver anledning til bekymringer om dens reelle bæredygtighed.

Desuden klassificeres de fleste litium-ion-batterier ved endt levetid som farligt affald af forskellige årsager, der knytter sig til deres kemi, potentiale for brand og deres negative indvirkning på miljøet. Medarbejdernes sikkerhed er afgørende under adskillelse og behandling af batterier. Eksponering for giftige materialer og risiko for brande eller eksplosioner gør det nødvendigt at overholde strenge sikkerhedsprotokoller. Håndtering af disse udfordringer er afgørende for at gøre genvindingen af batterier mere effektiv, mere sikker, miljøvenlig og økonomisk levedygtig på langt sigt.

Opnåelse af en cirkulær batteriøkonomi kræver en nærmest komplet genvinding af aktive materialer, plast og metalfolier, der bruges i batteriernes konstruktion. Dette omfatter mere end traditionel genvinding og forudsætter, at man nytænker batteriers design, anvendelse og bortskaffelse. Bæredygtig håndtering af batterier er afgørende for, at man kan etablere et lukket kredsløbssystem og maksimere muligheden for at give batterierne nyt formål eller genvinde dem.

Én tilgang er såkaldte "second life"-anvendelser, hvor brugte batterier bliver brugt til nye formål til mindre krævende anvendelsesområder som f.eks. energilagringssystemer til vedvarende energi. Det forlænger batteriets levetid og reducerer behovet for nye batterier, hvilket mindsker efterspørgslen efter bearbejdede mineraler.

Politik og lovgivning spiller også en afgørende rolle for fuldendelsen af batterikredsløbet. Regeringer og myndigheder skal etablere standarder og incitamenter, der fremmer korrekt batteribortskaffelse, -genvinding og udnyttelse af genvundne materialer i nye batterier. Udarbejdelse af fornuftig lovgivning kræver, at politikere, industriens interessenter og slutbrugerne samarbejder om at skabe et bæredygtigt batteriøkosystem.

Elbilbatterier, primært Li-ion, kan genvindes ved hjælp af de beskrevne processer. Men elbilbatteriernes store størrelse, vægt og kompleksitet mangedobler udfordringerne ved effektiv mineralgenvinding.

Til trods for kapacitetsudfordringer er genvindingen af elbilbatterier blevet meget mere effektiv takket være de tidligere nævnte innovationer. Genvinding af batterier i stor skala er et stadig vigtigere forskningsområde, fordi antallet af batterier, der skal genvindes i fremtiden, stiger drastisk. Og dette antal er stigende, i takt med at der kommer et rekordstort antal elbiler på vejene, og batteribaserede energilagringssystemer bliver mere og mere udbredte.

Pulvergenvindingsanlæg til Li-ion-batterier genvinder værdifulde materialer fra brugte batterier ved at omdanne dem til pulverform. Disse anlæg bliver mere og mere almindelige til genbrug i nye batterier. De reducerer den resulterende "sorte masse" af pulver fra nedbrudte batterier til massens bestanddele for at øge genvindingen af mineraler. Dette opnås typisk gennem højintensiv varmebehandling som f.eks. smeltning eller ristning (pyrometallurgi) eller ved kemisk udvaskning (hydrometallurgi). Varmebehandling er enklere, men resulterer i bestanddele med lavere renhed sammenlignet med udvaskning. Derfor bruges ofte en kombination af de to metoder, så man får fordelene fra dem begge.

Anlæg til genvinding af pulver fra Li-ion-batterier demonstrerer potentialet for avancerede genvindingsteknologier, der kan lukke kredsløbet i batteriforsyningskæden. Genvinding af materialer med høj renhed i former, der kan genanvendes, medvirker til at reducere behovet for at udvinde materialer, hvilket mindsker batteriproduktionens miljøpåvirkning.

Genvinding af batterier er afgørende for bæredygtig forvaltning af ressourcer i en verden, der i stigende grad er afhængig af ikke-fossile energikilder. Selv om processen og de dermed forbundne teknologier gør hurtige fremskridt, bliver der ved med at være udfordringer. Gennem fortsat innovation og samarbejde kommer industrien dog tættere på at opnå lukkede kredsløbssystemer, der maksimerer værdien af brugte batterier. I mellemtiden minimerer denne tilgang miljøpåvirkningen fra produktionen af nye batterier.