”Net Zero” har länge betraktats som ett viktigt mål för att mildra effekterna av klimatförändringarna. Nyligen fastställdes vid COP26-toppmötet i Glasgow de ramar inom vilka detta mål ska förverkligas. En deklaration, undertecknad av över 30 nationella regeringar, om att alla nya personbilar och skåpbilar ska vara 100 % utsläppsfria senast 2035 på de ledande marknaderna och senast 2040 i resten av världen, understryker den avgörande roll som elfordon spelar för att nå målet om nettonollutsläpp av koldioxid senast 2050.
Elbilarnas betydelse för insatserna att minska koldioxidutsläppen från transporter framgår också av enskilda länders inhemska politik, där Biden-administrationen har utfärdat ett presidentdekret om att 50 % av bilförsäljningen i USA ska utgöras av elbilar senast 2030. Många länder, däribland Storbritannien, Norge och Nya Zeeland, har börjat erbjuda rikstäckande incitament för att uppmuntra konsumenterna att byta till elbilar. I slutet av februari 2022 rapporterades det finnas över 420 000 helelektriska bilar på de brittiska vägarna, och incitament, marknadstryck och restriktioner för mycket förorenande fordon fortsätter att driva på den snabba tillväxten inom elfordonssektorn.
Branschen står dock inför ett stort hinder som måste övervinnas om tillväxten ska kunna fortsätta i denna takt. Medan en stor del av karosserna till elfordon huvudsakligen bygger på relativt rikliga materialresurser, är energilagring en helt annan sak. Batterierna som används i elfordon har för närvarande en livslängd på upp till 10–20 år, men många tillverkare erbjuder endast garantier på 5 till 7 år. Mot bakgrund av detta tyder uppskattningar på att 12,85 miljoner ton litiumjonbatterier från elfordon kommer att tas ur bruk mellan 2021 och 2030.
Den ökade efterfrågan på råvarorna har redan haft en enorm inverkan på priset på litiumsalter, en viktig beståndsdel i dagens batterier. S&P Global Commodity Insights uppskattar att priset på litiumkarbonat steg från 9 000 till 55 000 dollar per ton under två år, från februari 2020 till februari 2022. Denna prisökning, som drivs av den ständigt ökande efterfrågan på eldrivna fordon och andra växande tillämpningar för energilagring – såsom batterier kopplade till solcellsanläggningar i bostäder – och som spetsats av att planerade gruvprojekt i Chile och Serbien har skjutits upp på grund av lokalt motstånd, kan leda till kraftigt höjda kostnader för batteriproduktionen, vilket i sin tur kan bromsa tillväxten i införandet av dessa tekniker.
Utvecklingen av batterier med högre energitäthet och längre livslängd lovar att minska materialbehovet per enhet. Innovationer inom detta område lovar därmed att lindra en del av det tryck som den ökade batteriproduktionen kommer att utöva på naturresurserna. Utvecklingen inom denna sektor har tagit fart under de senaste decennierna. De senaste politiska förändringarna kommer att främja en ännu starkare tillväxt under de närmaste åren, då tillverkningsjättar som Ford, Mercedes-Benz och Volkswagen alla rusar in på marknaden. Trots vad som säkert kommer att bli en enorm drivkraft för utvecklingen är det möjligt att detta inte kommer att räcka för att möta den ständigt växande efterfrågan på elfordon.
Återvinning av uttjänta batterier för att utvinna värdefulla råvaror kommer att spela en viktig roll för att möta efterfrågan, och med höga råvarukostnader till följd av ett begränsat utbud kan detta bli allt mer ekonomiskt lönsamt, liksom socialt och politiskt attraktivt.
I början av februari 2022 tillkännagav ett joint venture mellan Glencore och Britishvolt planer på att bygga en återvinningsanläggning i sydöstra England med kapacitet att bearbeta 10 000 ton litiumjonbatterier per år. Anläggningen förväntas vara i drift i mitten av 2023 och kommer att bidra till att fylla det nuvarande tomrummet på den brittiska återvinningsmarknaden. När kapaciteten väl är säkerställd kommer innovation inom återvinningsteknik att spela en avgörande roll för att återvinna de mycket värdefulla materialkomponenterna i batterierna.
Traditionellt innebär återvinning av litiumjonbatterier att elektroderna finfördelas mekaniskt och att det finfördelade materialet behandlas med ett kemiskt etsmedel eller ett lösningsmedel som kan lösa upp bindemedlet. Andra kända återvinningsmetoder omfattar pyrometallurgisk och hydrometallurgisk metallåtervinning.
Pyrometallurgiska processer, där man använder en högtemperaturugn för att reducera metalloxiderna till en legering, är i allmänhet oförenliga med återvinning av elektrolyter och plaster, vilka kan utgöra upp till 50 % av batteriets vikt. Viktigt att notera är att denna process för närvarande inte möjliggör återvinning av värdefulla beståndsdelar såsom litiumsalter. Utöver det begränsade antalet material som återvinns finns det även miljömässiga nackdelar (såsom utsläpp av giftiga gaser och behovet av hydrometallurgisk efterbehandling) samt höga energikostnader.
Det finns ett växande antal innovativa företag och forskningsinstitutioner som arbetar för att förbättra återvinningsprocesserna för batterier. Att utveckla säkra och kostnadseffektiva metoder för att återvinna batterimaterial för återanvändning har identifierats som en nyckelfaktor för en hållbar omställning av transportsektorn.
Faraday Institution inledde sitt ReLiB-projekt (återvinning av litiumjonbatterier från elfordon) år 2018 med en finansiering på över 14 miljoner pund, vilket har möjliggjort installationen av nya anläggningar för batteritestning och -lagring vid Birminghams universitet. Dessa anläggningar har gjort det möjligt för forskare vid universiteten i Birmingham och Leicester att utveckla en ny separationsmetod som utnyttjar riktad ultraljudsstrålning. Forskarna insåg att fasgränsen mellan de tre komponenterna – det aktiva materialet, bindemedlet och strömavtagaren eller metallen – är avgörande, och att högfrekvent ultraljud kunde användas för att framkalla kavitation nära denna fasgräns. Implosionen av de bubblor som bildas genom kavitationen används för att framkalla chockvågor i materialet, vilket mekaniskt bryter upp fasgränsen och därmed fysiskt separerar skikten utan att några kemiska reaktioner behövs. Användningen av kavitation – snarare än enbart ultraljudsvibrationer – ger en mycket starkare, fokuserad kraft vid fasgränsen, vilket gör att materialen kan dras isär.
I praktiken förs ett elektrodark (elektrodmaterial bundet till en strömavledare) genom en vattentank, och en specialkonstruerad ultraljudssond används för att framkalla kavitation i det område där elektrodmaterial, bindemedel och strömavledarmaterial möts – det delaminerade elektrodmaterialet flyter upp till ytan och kan enkelt skopas upp, varvid den rena strömavledaren (t.ex. en metallfolie) blir kvar. Inga höga temperaturer eller etsande syror krävs. Separation av bindemedlet från det aktiva elektrodmaterialet är också möjlig genom att ett lämpligt lösningsmedel används i tanken istället för vatten, eller genom att det uppskopade materialet tvättas med ett lösningsmedel för att senare lösa upp det.
Denna innovation har potential att erbjuda en snabb, ren och kontinuerlig separationsprocess med automatiskt separerade utflöden, vilket gör det möjligt att samla in och återanvända flera olika material från samma batteri.
Tekniska framsteg som detta kommer att bana väg för en effektiv återvinning av batterier, vilket är avgörande för att göra litiumjonbatterier hållbara. Detta utgör ett viktigt verktyg för att underlätta övergången till en mer elektrifierad framtid, som drivs av miljöhänsyn, förändrade konsumentpreferenser och statliga mål.
Besök gärna vår sida om energisektorn för att läsa mer om vår branschkompetens.
”Återvinning av uttjänta batterier för att utvinna värdefulla råvaror kommer att spela en viktig roll för att tillgodose efterfrågan”
