Herlaadbare lithium

Over

Anode: grafiet, diverse
Kathode: lithium-kobaltoxide, lithium-ijzerfosfaat, lithium-mangaanoxide, diverse
Elektrolyt: diverse
Type: oplaadbaar
Nominale celspanning: 2,0 - 3,85 volt
Energiedichtheid: 250 - 700 W·h/L
Maandelijkse zelfontladingsgraad: 0,35 - 2,5%

Voordelen:

Prestaties - een van de best presterende batterijchemieën beschikbaar
Levensduur - een van de beste die er is
Snel te laden - lithium-ion reageert zeer snel op zowel laad- als ontlaadbehoeften
Formaat - klein maar krachtig dankzij een uitstekende energiedichtheid
Veelzijdig - aanpasbaar aan vrijwel elke spannings-, vermogens- en energievereiste

Nadelen:

Brandgevaar - herlaadbare lithium-ionbatterijen zijn brandgevaarlijk
Toxiciteit - veel herlaadbare lithium-ionbatterijen bevatten giftige elektrolytmaterialen

Algemene informatie over lithium-ion

Herlaadbare lithium-ionbatterijen zijn vandaag de dag steeds populairder en worden gebruikt in mobiele telefoons, e-sigaretten, computers, elektrische voertuigen en nog veel meer (inclusief militaire en ruimtevaarttoepassingen). Ze werden in 1991 voor het eerst commercieel beschikbaar via Sony, na tientallen jaren van onderzoek en experimenten. Nog enkele decennia extra onderzoek hebben ervoor gezorgd dat deze batterijchemie alle andere overtreft in prestaties en levensduur, terwijl de prijs aanzienlijk is gedaald.

Lithium-ionbatterijen danken hun naam aan het specifieke gebruik van lithiumionen in de cel. Deze ionen kunnen door de elektrolyt en andere interne membranen van de cel reizen, die de elektronenstroom anders blokkeren. Terwijl een lithium-ionbatterij in gebruik is, stromen elektronen van de anode, via het circuit van het apparaat, naar de kathode, net als bij elke gewone batterij. Tegelijkertijd reizen lithiumionen van de anode rechtstreeks door het elektrolyt naar de kathode, waardoor de elektroneutraliteit in de cel behouden blijft. Wanneer de batterij wordt opgeladen, wordt deze stroom omgekeerd en wordt de anode opnieuw geladen met lithiumionen.

Net als bij lithium primair zijn er binnen de lithium-ionfamilie veel chemische varianten. Het meest voorkomende formaat voor hoogwaardige draagbare elektronica is lithiumpolymeer, met een polymeergelelektrolyt en een lithium-kobaltoxide (LiCoO2) kathode.

Celstructuur

De interne elementen van batterijen kunnen op verschillende manieren worden gerangschikt om het gebruik te optimaliseren. Dit is een van de redenen waarom er vandaag de dag zoveel verschillend gevormde batterijen in omloop zijn. Over het algemeen worden de kathode, anode en scheiders ofwel om elkaar heen gerold (bij cilindrische batterijen), gevouwen in geometrische vormen (bij prismatische batterijen) of op elkaar gestapeld (bij pouch-batterijen). Prismatische geometrie werd in de jaren negentig ontwikkeld als antwoord op de vraag van consumenten naar dunnere, kleinere en krachtigere technologie. Elke optie heeft zijn voor- en nadelen, grotendeels een afweging tussen prestaties en brandgevaar.

Meest voorkomende toepassingen

Oplaadbare lithium-ion batterijen zijn voornamelijk te vinden in mobiele apparaten zoals telefoons, tablets en laptops, en ook in elektrische voertuigen.

Lithiumbatterijen voor elektrische voertuigen (EV)

EV-batterijen gebruiken verschillende materialen, afhankelijk van de gewenste balans tussen motorprestaties en kostprijs. De technologie ontwikkelt zich ook razendsnel, waardoor celtechnologieën snel verouderd raken. Zo reden oudere Tesla Model 3- en Model X-auto's op NCA lithium-nikkel-kobalt-aluminiumoxide (LiNi0,84Co0,12Al0,04O2), terwijl nieuwere Tesla's met standaardbereik gebruikmaken van LFP-batterijen. Lithium-nikkel-mangaan-kobaltoxide, ook bekend als NMC of Li(NixMnyCo1−x−y)O2, werd ook gebruikt door verschillende fabrikanten zoals Nissan, Chevy en BMW.

Waarom herlaadbare lithiumbatterijen recycleren?

Er zijn 3 belangrijke redenen om herlaadbare lithium-ionbatterijen te recycleren. Ten eerste veiligheid, deze batterijen kunnen brandgevaar veroorzaken door thermische ontregeling, een zichzelf versterkend proces waarbij een temperatuurstijging de omstandigheden in de cel verandert, wat leidt tot een verdere temperatuurstijging, enzovoort. Beschadigde batterijen kunnen spontaan vlam vatten, en de wereld heeft al te vaak te maken gehad met ontploffende telefoons en e-sigaretten die brand en verwondingen veroorzaakten.

Ten tweede en ten derde: verantwoord gebruik van grondstoffen en de enorme aankomende toename in het aantal herlaadbare lithium-ionbatterijen, wat al snel zal leiden tot zowel een afvalbeheeruitdaging als economische kansen. Nu de productie van herlaadbare lithium-ionbatterijen de komende vijf jaar naar verwachting zal verdubbelen, is het recycleren van deze cellen belangrijker dan ooit. Lithium-ion is ook de batterij bij uitstek voor elektrische voertuigen, een markt die eveneens voor snelle groei staat.

Deze sterke toename in de nabije toekomst zal de wereldwijde lithiumvoorraden onder druk zetten. Lithiumwinning is minder schadelijk dan veel andere mijnbouwpraktijken, maar tast onze planeet nog steeds aan. Hoe meer we de lithium-ioncyclus kunnen sluiten, hoe beter. Lithiumbatterijen kunnen ook andere waardevolle metalen bevatten, zoals nikkel, kobalt en mangaan, die anders onder onzorgvuldige, uitbuitende en onmenselijke omstandigheden uit de aarde worden gewonnen.

Een kostelijke constructie

Oorspronkelijk bestaat minstens een derde van de productiekosten van een herlaadbare lithium-ionbatterij uit de materialen, omdat deze cellen grote hoeveelheden waardevolle metalen in verschillende vormen bevatten. Batterijfabrikanten ontwikkelen echter steeds vaker chemieën met minder of geen waardevolle metalen om de kosten te drukken. LFP-batterijen hebben bijvoorbeeld geen kobalt of nikkel meer nodig, en opkomende natrium-ionbatterijen gebruiken natrium in plaats van lithium. Hoewel deze innovaties batterijen goedkoper en duurzamer maken, brengen ze ook nieuwe uitdagingen met zich mee voor recyclage, omdat er minder waardevolle materialen aanwezig zijn om terug te winnen.

Het gevaar van EV-batterijen

Een bijzonder aandachtspunt is hoe herlaadbare lithium-ionbatterijen uit voertuigen die betrokken zijn geweest bij ongelukken, gerecycleerd kunnen worden. Brandweerkorpsen ontwikkelen protocollen voor de omgang met beschadigde lithium-ionbatterijpacks uit elektrische voertuigen en voor hun veilig transport en verwerking om ze naar recyclagefaciliteiten te krijgen.

Hoogtepunten van het proces

Momenteel worden herlaadbare lithium-ionbatterijen voor zowel draagbare apparaten als elektrische voertuigen vaak in dezelfde faciliteit verwerkt, volgens vrijwel hetzelfde proces. Het belangrijkste verschil zit in het ontmantelen van EV-batterijen tegenover het versnipperen van kleinere batterijen. De processen worden ook fijn afgesteld naargelang de specifieke chemie en hoeveelheden van de verschillende lithium-ionbatterijtypes.

Ontladen

De eerste stap in het recyclageproces is veiligheid, omdat herlaadbare lithium-ionbatterijen zorgvuldig moeten worden behandeld om thermische ontregeling te voorkomen. Traditioneel worden batterijen volledig ontladen voor het versnipperen, wat kan worden gedaan met een weerstand of door de cellen onder te dompelen in vloeibaar stikstof of een zoutwateroplossing om kortsluiting en een snelle ontlading te veroorzaken. Ontladen is echter arbeidsintensief en kostbaar, waardoor sommige recyclagebedrijven alternatieve methoden gebruiken. In die gevallen worden de organische materialen in de batterij eerst thermisch verwijderd voor het versnipperen, of worden de batterijen rechtstreeks onder water versnipperd om de aanwezigheid van zuurstof te vermijden.

Demontage en comminutie

Demontage is een volgende belangrijke stap bij specifiek geconstrueerde herlaadbare lithium-ioncellen, zoals die in elektrische voertuigen. Handmatige demontage maakt een schone scheiding van bepaalde onderdelen mogelijk, wat de zuiverheid van de uitvoerstromen verbetert, maar het is ook arbeidsintensief.

Als alternatief is verkleining (comminutie) de gebruikelijke methode voor kleinere cellen. Dit wordt vaak uitgevoerd in een roterende versnipperaar in een koolstofdioxide- en argonatmosfeer om eventueel vrijgekomen elementair lithium om te zetten in lithiumcarbonaat, een minder vluchtige verbindingsvorm.

Fysieke scheiding

Daarna volgt een relatief standaard fysiek scheidingsproces, gericht op het terugwinnen van uitvoerstromen voor:

Kunststoffen en papier
Zwarte massa (met lithium, nikkel, kobalt, mangaan en elektrolyten)
Stalen batterijbehuizingen en bevestigingen
Metaallegeringen zoals aluminium en koper die worden gebruikt in elektrodefolies

Pyrometallurgische en hydrometallurgische processen

Vervolgens wordt een combinatie van pyrometallurgische en hydrometallurgische processen gebruikt voor verdere recyclage. Vacuümpyrolyse kan worden ingezet om de metaallegeringsstroom op te splitsen in afzonderlijke componenten. Als de zwarte massa ook pyrometallurgisch wordt behandeld, kan lithium deel uitmaken van de slakoutput, die vervolgens verder kan worden verwerkt om het lithium terug te winnen of rechtstreeks naar bouwkundige toepassingen kan gaan. Als alternatief wordt de zwarte massa behandeld via een reeks hydrometallurgische processen om de zware metalen uit het koolstofgrafietgehalte uit te logen. Vanuit hier worden lithium, kobalt, nikkel en mangaan elk afgescheiden via oplosmiddelextractie en teruggewonnen als zouten, die vervolgens kunnen worden gebruikt als basismateriaal voor nieuwe batterijen.

Als pyrometallurgische processen worden gebruikt voor de verwerking van herlaadbare lithium-ionbatterijen, worden organische materialen (zoals de kunststoffen die worden gebruikt voor elektrodescheiders) verbruikt als brandstof voor de pyrometallurgische smelter en kunnen ze dus niet worden teruggewonnen.

Kobalt kan hydrometallurgisch worden teruggewonnen uit herlaadbare lithium-ionbatterijen via elektrolyse of precipitatie als Co(OH)3 door toevoeging van natriumhypochloriet.

Eindproducten

Kunststoffen
Papier
Staal
Lithiumzouten
Lithiumrijke slak
Kobaltsulfaat
Nickelsulfaat
Mangaan

Helaas zijn de eindproducten van kobalt, nikkel en lithium niet zuiver genoeg om rechtstreeks te worden hergebruikt bij de productie van nieuwe batterijen. Ze moeten verder worden verfijnd tot PCAM (precursor kathode-actief materiaal) en vervolgens tot CAM (kathode-actief materiaal).

Toekomstige trends

Er zijn veel ontwikkelingen op het gebied van herlaadbare lithium-ionbatterijen. Wat betreft productie wordt onderzoek gedaan naar niet-ontvlambare (vaste) elektrolytopties om het verbrandingsrisico te verminderen. De prijzen verbeteren door de vervanging van (duur) kobalt door goedkopere alternatieven, net als de efficiëntie en levensduur.

Wat betreft recyclage zijn hydrometallurgische processen een groeiende trend om bruikbaar lithium uit gebruikte batterijen terug te winnen. Veel nieuwe methoden worden op laboratoriumschaal getest, en overheden wereldwijd bieden sterke stimulansen voor bedrijven om te innoveren op het gebied van de productie en recyclage van herlaadbare lithium-ionbatterijen.

Biohydrometallurgie is een boeiende en unieke piste die momenteel wordt onderzocht. Er is een bio-uitlogingsproces onderzocht dat 100% koper en lithium, en 75% aluminium terugwint met behulp van verschillende zuren en levende bacteriën! De bacteriën verteren afvalbatterijverbindingen en scheiden metalen en metaaloxiden uit. Dit proces is uiterst goedkoop, heeft een lage uitstoot, en kan werken met relatief onzuivere invoerstromen, maar het is momenteel nog veel te traag om commercieel haalbaar te zijn.

Waarom wordt er niet meer lithium teruggewonnen uit deze batterijen?

Er zijn twee belangrijke redenen waarom de huidige recyclagemethoden het lithium uit deze cellen vaak niet terugwinnen:

Lithium-iontechnologie verandert voortdurend, wat betekent dat recyclagemethoden ook regelmatig moeten worden aangepast. Specifiekere, op lithium gerichte methoden lopen daardoor het risico om verouderd te raken.
Het terugwinnen van lithium uit gebruikte batterijen is ongeveer vijf keer duurder dan het winnen ervan uit de aarde, wat het op dit moment economisch onhaalbaar maakt. De huidige prijzen voor lithium weerspiegelen de milieukosten en de impact op gemeenschappen waar het materiaal wordt gewonnen niet.

Overheidssubsidies en wetgeving helpen echter het tij te keren, en pyrometallurgische methoden worden langzaam omgevormd om hydrometallurgische stappen mee op te nemen om lithium terug te winnen. Wat we hier beschrijven is een algemene aanpak die op industriële schaal wordt gebruikt door verschillende faciliteiten wereldwijd.