Een onderzoeker van de Universiteit van Toronto heeft een nieuwe techniek ontwikkeld om de metalen in lithium-ionbatterijen te helpen recyclen, waar veel vraag naar is vanwege de stijgende wereldwijde verkoop van elektrische voertuigen.

Gisele Azimi, een professor in de afdelingen materiaalkunde en engineering en chemische technologie en toegepaste chemie aan de faculteit Applied Science &Engineering, en haar team hebben een nieuwe, duurzamere methode voorgesteld om waardevolle metalen te winnen, waaronder lithium, maar ook kobalt , nikkel en mangaan - van lithium-ionbatterijen die het einde van hun nuttige levensduur hebben bereikt.

"Het kost veel energie om deze metalen uit ruw erts te halen", zegt Jiakai (Kevin) Zhang, een Ph.D. kandidaat in chemische technologie en toegepaste chemie die hoofdauteur is van een nieuw artikel dat onlangs is gepubliceerd in Resources, Conservation and Recycling .

"Als we bestaande batterijen recyclen, kunnen we de beperkte toeleveringsketen ondersteunen en de kosten van EV-batterijen helpen verlagen, waardoor de voertuigen betaalbaarder worden."

Een deel van Canada's toezegging om tegen 2050 een netto-nuluitstoot te bereiken, omvat een verplicht doel dat 100 procent van de nieuwe lichte auto's en personenauto's die in het land worden verkocht tegen 2035 elektrisch moet zijn.

Om dit doel te bereiken zal het aanbod van kritische metalen, waarvan de prijs nu al zeer hoog is, moeten toenemen. Zo is kobalt, een belangrijk ingrediënt in de kathodeproductie van lithium-nikkel-mangaan-kobaltoxide (algemeen afgekort als NMC) batterijen die veel worden gebruikt in EV's, ook een van de duurste componenten van lithium-ionbatterijen vanwege zijn beperkte reserve.

"We staan ​​op het punt een punt te bereiken waarop veel lithium-ionbatterijen het einde van hun levensduur bereiken", zegt Azimi. "Deze batterijen zijn nog steeds erg rijk aan interessante elementen en kunnen een cruciale hulpbron zijn voor herstel."

Niet alleen kan recycling deze materialen tegen lagere kosten opleveren, maar het vermindert ook de noodzaak om ruw erts te delven, wat gepaard gaat met ecologische en ethische kosten.

De levensduur van EV-batterijen varieert van 10 tot 20 jaar, maar de meeste autofabrikanten geven slechts een garantie van acht jaar of 160.000 kilometer, afhankelijk van wat zich het eerst voordoet. Wanneer EV-batterijen het einde van hun levensduur bereiken, kunnen ze worden opgeknapt voor een tweede leven of gerecycled om metalen terug te winnen. Maar tegenwoordig worden veel batterijen op de verkeerde manier weggegooid en belanden ze op de vuilnisbelt.

"Als we lithium, kobalt en nikkel voor batterijen blijven delven en ze aan het einde van hun levensduur gewoon storten, zal er een negatieve impact zijn op het milieu, vooral als er corrosieve elektrolytuitspoeling optreedt en ondergrondse watersystemen vervuilt", zegt Zhang.

Conventionele processen voor het recyclen van lithium-ionbatterijen zijn gebaseerd op pyrometallurgie, waarbij gebruik wordt gemaakt van extreem hoge temperaturen, of hydrometallurgie, waarbij zuren en reductiemiddelen worden gebruikt voor de extractie. Deze twee processen zijn beide energie-intensief:pyrometallurgie produceert broeikasgasemissies, terwijl hydrometallurgie afvalwater creëert dat moet worden verwerkt en behandeld.

Daarentegen gebruikt Azimi's laboratoriumgroep superkritische vloeistofextractie om metalen terug te winnen uit lithium-ionbatterijen aan het einde van hun levensduur. Dit proces scheidt de ene component van de andere door een extractie-oplosmiddel te gebruiken bij een temperatuur en druk boven het kritieke punt, waar het de eigenschappen van zowel een vloeistof als een gas overneemt.

Om de metalen terug te winnen, gebruikte Zhang koolstofdioxide als oplosmiddel, dat in een superkritische fase werd gebracht door de temperatuur tot boven de 31ºC te verhogen en de druk tot 7 megapascal.

In de paper toonde het team aan dat dit proces de extractie-efficiëntie van lithium, nikkel, kobalt en mangaan tot 90% evenaarde in vergelijking met de conventionele uitloogprocessen, terwijl er ook minder chemicaliën werden gebruikt en aanzienlijk minder secundair afval werd gegenereerd. In feite was de belangrijkste energiebron die werd verbruikt tijdens het extractieproces van superkritische vloeistoffen het gevolg van de compressie van CO₂ .

"Het voordeel van onze methode is dat we kooldioxide uit de lucht als oplosmiddel gebruiken in plaats van zeer gevaarlijke zuren of basen", zegt ze. "Kooldioxide is overvloedig, goedkoop en inert, en het is ook gemakkelijk te verwerken, te ventileren en te recyclen."

Superkritische vloeistofextractie is geen nieuw proces. Het wordt sinds de jaren zeventig in de voedings- en farmaceutische industrie gebruikt om cafeïne uit koffiebonen te halen. Het werk van Azimi en haar team bouwt voort op eerder onderzoek in het Laboratorium voor Strategische Materialen om zeldzame aardelementen terug te winnen uit nikkel-metaalhydridebatterijen.

Dit is echter de eerste keer dat dit proces is gebruikt om metalen terug te winnen uit lithium-ionbatterijen, zegt ze.

"We geloven echt in het succes en de voordelen van dit proces", zegt Azimi.

"We zijn nu op weg naar de commercialisering van deze methode om het technologische gereedheidsniveau te verhogen. Onze volgende stap is om partnerschappen af ​​te ronden om industriële recyclingfaciliteiten voor secundaire bronnen te bouwen. Als het wordt ingeschakeld, zou het een grote game-changer zijn." + Verder verkennen

Gesloten kobaltrecycling uit gebruikte lithium-ionbatterijen op basis van een diep eutectisch oplosmiddel