Ursprungligen publicerad på Idaho National Laboratory
Av Hank Hogan för INL Communications &Outreach
Litiumjonbatterier har lett till en revolution inom konsument- och industriell elektronik som har banat väg för en trådlös framtid med färre koldioxidutsläpp.
Ändå utgör den lätta, uppladdningsbara energikällan för allt från mobiltelefoner till elfordon en stor miljöutmaning:Hur gör man av med ett batteri när det inte längre är användbart?
Att bara kasta det på en soptipp är både farligt och slösaktigt. Bränder kan starta när bulldozers kör över batterier medan de flyttar jord och skräp. Dessutom innehåller döda batterier värdefulla ämnen som kobolt, litium och mangan – i högre koncentrationer än vad som finns i kommersiella malmer.
Återvinning kan därför potentiellt vara en stor affär, en som växer tillsammans med elfordonsflottan. Experter säger att det år 2040 kommer att finnas 500 miljoner elektriska passagerarfordon på vägen över hela världen (nästan en tredjedel av den förväntade passagerarflottan). Då kommer värdet på råvarorna i uttjänta litiumjonbatterier att ha vuxit från cirka 0,3 miljarder USD 2020 till 1,1 miljarder USD 2025 och nästan 24 miljarder USD 2040.
ÅTERVINNING MED MINDRE VÄRME OCH KEMIKALIER
I ljuset av dessa växande utmaningar och möjligheter strävar Idaho National Laboratory (INL) efter att göra återvinningen av litiumjonbatterier enklare, effektivare och potentiellt grönare. Uppmuntrande resultat av dessa ansträngningar dök nyligen upp i tidskriften Resources, Conservation and Recycling.
Återvinning kan stärka leveranskedjan för batteritillverkare genom att minska behovet av att vara beroende av potentiellt opålitliga källor för nya material. Det är därför forskningen finansierades av Department of Energy's Critical Materials Institute. Ett mål för institutet är att diversifiera tillgången på kritiska energimaterial, bland annat genom återanvändning och återvinning.
Nissan Leaf Battery, 2014 med tillstånd av Nissan
Idag är det bara uppskattningsvis 5 % av litiumjonbatterierna som återvinns. Det vill säga till viss del eftersom processen delvis är manuell, involverar högtemperatur- och frätande kemikalier och är ineffektiv, enligt Tedd Lister, en INL-personalforskare och medförfattare till papper.
I sin uppsats rapporterade forskarna principbevis för ett annat tillvägagångssätt för batteriåtervinning, en som fungerar vid rumstemperatur och avsevärt minskar användningen av kemikalier.
Lithium Supply Chain – En analys av handelsflöden från gruva till fabrik.
Kredit för diagram från Joule 1, 229–243, 11 oktober 2017.
Den nya processen är elektrokemisk, sa Lister. Så istället för värme kommer energin från elektricitet, som driver de reaktioner som läcker ut kobolt, litium, mangan och andra material ur batterierna. Forskarna demonstrerade tillvägagångssättet i en cell som mäter några centimeter på sidan, tillräckligt liten för att kunna plockas upp.
Forskarna började med strimlade litiumjonbatterier, med material från Retriev Technologies i Lancaster, Ohio. Retriev, ett batteriåtervinnings- och hanteringsföretag, deltog också i forskningen, liksom Solvay, ett Brysselbaserat företag som levererade de kemikalier som används för metallseparering.
Efter att ha utvecklat den elektrokemiska processen testade forskarna den och fann att de kunde uppnå höga återvinningsgrader. De rapporterade över 96% effektivitet i termer av extraherad kobolt, litium, mangan och nickel, som lämnar processen i en enda utström. Däremot avsätts koppar - en metall med högt kommersiellt värde - på katoden, vilket förenklar nedströms separationsprocessen, sa Lister.
En preliminär kostnadsanalys visade att energi- och kemikaliekostnaderna minskade med cirka 80 % jämfört med nuvarande återvinningstekniker.
Framtida planer inkluderar att utveckla en elektrokemisk procedur för att separera utlakningsprocessen i kobolt, litium, mangan och nickel. Teamet undersöker också återanvändning av ett annat kritiskt material, grafit, som blir över och potentiellt kan återvinnas.
Både laknings- och separationsprocesserna måste sedan skalas upp till en storlek som är användbar i en industriell miljö. En del av detta arbete kommer att inkludera att optimera laknings- och separationsprocesserna genom att justera parametrar för att förbättra prestanda och effektivitet. Förutom projektpartnern Retriev, är INL-forskare intresserade av att arbeta med kommersiella partners om dessa nästa steg.
Slutligen skulle den här typen av batteriåtervinning kunna utnyttja den överskottsenergi som ibland produceras av elkraftverk av allmän storlek.
"Du använder energin för att göra en produkt som senare kommer att användas för att producera energi," sa Luis Diaz Aldana, tidningens huvudförfattare och en elektrokemisk ingenjör/forskare i INL.
Ursprungligen publicerad den Idaho National Laboratory
Utvald bild via US Department of Energy.
