Återvinning och återanvändning: Vad sker inom forskningen?

Forskning kring insamling och industriella aspekter

För att vara ett första steg mot både återvinning och återanvändning finns det ett fåtal studier kring insamling, vad som hindrar insamling och beteende kring insamling av batterier från konsumentprodukter. Många studier fokuserar kring insamling på en blandning av olika batterier.

Ett exempel är EU-projektet ProSum [1] där målet varit att skapa en databas för all tillgänglig data om volymer, flöden och behandling av elektronikavfall, EOL-fordon, avfallsbatterier och gruvavfall. Databasen Urban Mine Platform är allmänt tillgänglig och innehåller information kring prognoser av materialflödena [2]. Flera studier visar på att merparten av Li-jonbatterier från konsumentelektronik världen över läggs på deponi och att det finns en stor ekonomisk potential med att återvinna. Författarna drar slutsatsen att insamlingsgraden kan öka genom policyåtgärder och förbättrad kommunikation. 

Forskning kring återvinning

Grovt sett kan man säga att det finns tre sätt att återvinna Li-jonbatterier: med mekaniska, pyrometallurgiska eller hydrometallurgiska processer. I själva verket är dock detta inte alternativa metoder utan snarare metoder som används i kombination med varandra. Mer än 75% av alla publikationer avser forskning kring hydrometallurgiska processer. Och det är Kina och Sydkorea som står för den största mängden publikationer.

När det kommer till Li-jonbatterikemier är det framför allt återvinning av LCO- och NCM-batterier som är i fokus: koboltinnehållet har en ekonomisk drivkraft och intresse.

Forskningen inom återvinning kan delas in i tre huvudsakliga kategorier: förbehandling, återvinningsprocesser och tillverkning av nya material.

Exempel på forskning kring förbehandlingen kretsar kring separation av en blandning av anod- och katodmaterial: en blandning av svart pulver som separeras genom skiktning och magnetisk behandling.

Kombinationer av metoder för att separera ut anod- och katodmaterialen för att kunna bibehålla egenskaperna (dvs. att behålla förädlingsvärdet) benämns ofta för ”direktåtervinning”. Ett mycket litet antal forskningspublikationer handlar om biologisk extraktion av de aktiva anod- och katodmaterialen. Ofta är det en hydrometallurgisk metod där bakterier eller andra biologiska material används för att reagera med batterimaterialet. Vi skrev om detta tidigare. Svårigheten är att få processer som klarar storskalig återvinning för en blandning av olika batterikemier (LCO, NMC, LFP, NCA, osv). 

Forskning kring återanvändning

Återanvändning och forskning i området kretsar främst kring tekniska aspekter (möjligheter och begränsningar), miljörelaterade aspekter och ekonomisk potential med återanvändning. Många studier relaterar till möjligheter, batteriåldring, styrstrategier och övervakning. 

De mer tekniska forskningsprojekten kretsar kring state-of-health och kvarvarande kapacitet hos uttjänade fordonsbatterier, testmetoder för att bestämma livslängd i andrahandsapplikationen och hur styrstrategier kan utformas. Det finns studier som visar på brist på forskning som tar hänsyn till hur snabbt batterier degraderas när de sedan används i den faktiska andrahandsapplikationer. För att andrahandsanvändning ska bli tekniskt och ekonomiskt försvarbart är det helt avgörande för att kunna verifiera potentialen. Det saknas kunskap om hur ålder på de uttjänta fordonsbatterierna påverkar prestandan i en andrahandsapplikation då detta i princip inte går att testa i forcerade experiment. Vissa studier bygger på simuleringar snarare än verkliga tester. De flesta batterier som skulle kunna återanvändas idag kommer från konsumentelektronik. Dock kretsar nästan uteslutande all forskning kring återanvändning av uttjänta fordonsbatterier, inte av återanvändning av batterier från konsumentelektronik.

USA utvecklar verktyg för att hjälpa till vid återvinning

I USA har man startat en konstellation, ReCell, för återvinning av fordonsbatterier [3]. Genom att återvinna menar man att man kan sänka materialkostnaderna för Li-jonbatterier med 10-30% och det vore ett välkommet tillskott för att nå DOEs mål på 80 USD/kWh. ReCell är ett samarbete mellan Argonne National Lab, National Renewable Energy Laboratory (NREL), Oak Ridge National Laboratory (ORNL) och ett flertal universitet, samt företag och aktörer längs hela värdekedjan: gruvindustrin, materialleverantörer, fordonstillverkare, återvinnare och återanvändningsföretag. Under en treårsperiod pumpar DOE in 15 miljoner USD. ReCell är ett direkt svar på president Trumps beslut (The President’s Executive Order 13817, från December 2017) som trycker på behovet av att “developing critical minerals recycling and reprocessing technologies” som en del av en bredare strategi att säkerställa tillgång på kritiska mineral/metaller. 

Fokus är att återvinna katodmaterial som kan direkt återanvändas i nya celler, design av batteripack som underlättar för återvinning, kostnadseffektiv materialåtervinning, uppskalning av återvinningsprocesser, samt att utveckla ett verktyg för att kunna förutspå om ett batteri ska återvinnas eller återanvändas. Verktyget ska underlätta för olika aktörer att utvärdera olika möjligheter [4]. Man ska kunna få indikationer om totalkostnaden så väl som miljökonsekvenserna för återvinning av de olika delarna av battericellerna. Verktyget ska hjälpa till att förstå var i kedjan man bör fokusera och vilka hinder som kan finnas. 

Vad saknas inom forskningen?

Det är inte bristen på tekniska processlösningar som hindrar återanvändning och återvinning av uttjänta fordonsbatterier. Det finns ett antal områden där det helt saknas forskning, områden som har stor industriell betydelse. Vad hindrar effektiv återvinning, insamling? Andra exempel är inom området sortering och klassificering av batterier och design för återanvändning och återvinning. Men viktigare är nog avsaknaden av forskning kring säkerhet, arbetsmiljö och logistik. 

Att designa batterierna med återanvändning och återvinning i åtanke skulle underlätta och effektivisera processerna. Metoder för sammankoppling koppling av celler i moduler, men även märkning av batteripack och standardisering av material och demonteringsmetoder.

[1] Prosum

[2] Urban Mine Platform

[3] DOE launches its first Li-ion battery recycling R&D center: ReCell; driving toward closed-loop recycling. Green Car Congress. 16 feb 2019. länk

[4] Argonne researchers develop ReCell model to gauge impact of recycling batteries from EVs. Green Car Congress. 26 jan 2018. länk