Wat hebben een elektrische auto, een laptop en een elektrische tandenborstel gemeen? Ze werken allemaal op een lithium-ion batterij. Deze batterijen zijn de meest efficiënte op de markt. In de afgelopen jaren zijn fabrikanten deze batterijen in steeds meer toepassingen gaan gebruiken. Als gevolg daarvan stijgen de prijzen zeker als de samenleving overgaat op elektrische mobiliteit. De winning van grondstoffen gaat gepaard met hoge kosten en uitstoot van broeikasgassen.
De groeiende hoeveelheid batterijen betekent dat ook de afvalstroom de komende jaren zal toenemen. Terwijl er efficiënte manieren zijn om kobalt, koper nikkel en andere mineralen die voor batterijen worden gebruikt te recyclen, is hergebruik van lithium (Li) nog steeds niet kostenefficiënt.
Wetenschappers van het Duitse chemiebedrijf Evonik werken aan een nieuwe oplossing voor dit probleem. Ze hebben een membraan ontworpen om lithium-ionen selectief op te vangen uit gebruikte batterijen.
“Het ontwerp is de sleutel”, vertelde Elisabeth Gorman aan Innovation Origins. Zij is business development manager bij Evonik. “De samenstelling van het membraan selecteert lithium-ionen en laat ze bewegen door de kristalstructuur die we hebben gebouwd.”
Elisabeth Gorman
Business development manager
Verantwoordelijk voor new business development op het gebied van lithiumrecycling bij Creavis, de strategische innovatie-eenheid en business incubator van Evonik.
‘Springende ionen’
Duitse wetenschappers kozen voor membraanelektrolyse. Kort gezegd maakt het proces gebruik van elektriciteit om lithium-ionen te scheiden door een permselectief keramisch membraan. Dat is een laag die zowel semipermeabel is als ionenuitwisseling mogelijk maakt. Elektrolyse is vooral bekend bij de productie van waterstof, waarbij stroom wordt gebruikt om water te scheiden in zuurstof en waterstof.
Daarvoor gebruik je een elektrolyzer, met als belangrijkste elementen een positieve elektrode – de anode – en een negatieve elektrode – de kathode. Een ionengeleidend membraan scheidt de twee, waardoor ionen kunnen doorstromen wanneer een elektrische potentiaal wordt toegepast. Dit onderdeel van Evoniks methode maakt het verschil.
“Vergeleken met conventionele technieken voor lithiumrecyclage kan ons elektrochemisch scheidingsproces lithiumhydroxide produceren in één stap en in zeer zuivere, batterijwaardige vorm. De techniek heeft het potentieel om het huidige chemische neerslagproces, waarbij grote hoeveelheden chemicaliën worden gebruikt voor de scheiding van vaste en vloeibare stoffen, te vervangen,” benadrukt Gorman.
In eerste instantie stroomt lithiumhoudend afvalwater van het recyclingproces tussen de anode en het membraan. Dat afvalwater is een mengsel van metalen van versnipperde batterijen. Dat gebeurt in een recyclingbedrijf nadat de plastic onderdelen zijn verwijderd. Dat afval bevat dus ook lithium.
Wanneer elektriciteit door deze waterstroom wordt geleid, bewegen lithium-ionen door het ionengeleidende keramische membraan naar de kathodekamer. Andere ionen en watermoleculen kunnen er niet doorheen. Vervolgens reageert water op de negatieve elektrode met elektronen tot waterstof- en hydroxide-ionen. Deze reageren met lithiumionen tot lithiumhydroxide, het product dat nodig is om nieuwe batterijen te maken.
Recyclingdoelen
“Lithium en zeldzame aardmetalen zijn binnenkort belangrijker dan olie en gas. Alleen al onze vraag naar zeldzame aardmetalen zal tegen 2030 vervijfvoudigen”, verklaarde voorzitter van de Europese Commissie Ursula von der Leyen al bij de invoering van de Wet kritieke grondstoffen. In het licht hiervan eist de Europese Commissie grotere inspanningen op het gebied van lithiumrecycling. Momenteel wordt naar schatting meer dan 1,9 miljoen ton per jaar weggegooid.
Het recyclagepercentage en de inzameling variëren afhankelijk van het type batterij. Volgens de voorgestelde verordening moet lithium tegen 2026 voor 35 procent zijn teruggewonnen en tegen 2030 voor het dubbele. Ook worden verplichte minimumniveaus voor gerecyclede inhoud vastgesteld. Vanaf 2030 zou de eis voor gerecycled lithium 4 procent bedragen, en vijf jaar daarna stijgen tot 10 procent.
Volgens een onderzoek van de NGO Transport and Environment (T&E) zouden de doelstellingen hoger moeten liggen. “Maar door te eisen dat recyclers deze kleine hoeveelheden lithium terugwinnen – slechts 35 procent tegen 2030 – laten beleidsmakers een enorme kans liggen. De Europese batterij-industrie kan niet wachten om een binnenlandse voorraad kritische metalen op te bouwen”, aldus de analyse. T&E pleit voor hogere percentages, aangezien die technisch haalbaar zijn volgens de beste praktijken in de sector, en verwijst daarbij naar een beoordeling van het Circular Economy Initiative Deutschland.
Dubbele delving
Het recyclen van lithium is in zekere zin hetzelfde als het een tweede keer delven ervan. Toch kan het concept van Evonik ook gebruikt worden voor daadwerkelijke mijnbouw. In de Duitse bodem zijn grote afzettingen van lithiumpekel gevonden. Dit zijn ophopingen van zout grondwater verrijkt met opgelost lithium. Deze zouden in de nabije toekomst wel eens de volgende bron van lithium kunnen zijn. De winning kan volgens hetzelfde principe verlopen als bij gebruikte batterijen.
“Dat is de visie op de langere termijn. We zitten echter in een onderzoeks- en ontwikkelingsfase. Het proces aanpassen aan dit soort toepassingen zie ik niet binnen de komende twee of drie jaar gebeuren,” verduidelijkt Gorman.
In een poging om de invoer van lithium uit landen als Australië of Chili stop te zetten, zou het aanboren van Europese reservoirs de Europese batterij-industrie helpen. Om nog maar te zwijgen van het feit dat vervoer van ver weg tonnen broeikasgasemissies met zich meebrengt.
Giga-fabrieken
Voorlopig concentreert Evonik zich op het optimaliseren van hun methode. Daarna zal het team werken aan enkele prototypes en proefontwerpen om het idee op te schalen. Daartoe zullen de onderzoekers meer elektrolysecellen op elkaar stapelen, waardoor de hoeveelheid verwerkt afvalwater toeneemt.
In de toekomst zou elektrolyse kunnen plaatsvinden in grotere recycling- of batterijproducerende fabrieken, en de kringloop sluiten waar het begon. Verschillende bedrijven hebben plannen aangekondigd voor batterijfabrieken – zogenaamde gigafabrieken – in Europa, om aan de stijgende vraag te voldoen. Sommige van deze projecten voorzien ook in de terugwinning van batterijen aan het einde van hun levensduur.
