Accurecycling

Toekomstige afvalberg of circulaire economie?

Onderzoek en innovatie

Recycling wordt al decennia in de praktijk toegepast, zoals in de staalindustrie. Meer dan 85 procent van het staal wordt aan het einde van de levensduur van een product gerecycled; voor autowrakken is dat zelfs 99 procent. Staal is dan ook een relatief makkelijk materiaal om te recyclen. Het wordt veel lastiger als meerdere materialen worden samengevoegd om een bepaald effect te bereiken, zoals dat bij de kathode en soms ook anode van accu's het geval is.

Stand van zaken

Er wordt veel onderzoek gedaan om bestaande processen efficiënter te maken. Universitair docent Shoshan Abrahami is gespecialiseerd in de ontwikkeling van recyclingroutes voor complexe materialen, zoals hybriden en composieten. Hybride materialen zijn combinaties van twee of meer verschillende stoffen om de eigenschappen te verbeteren, zoals hybride zonnecellen die efficiënter zijn in energieomzetting. Composieten bestaan uit verschillende componenten die samen een materiaal vormen met unieke eigenschappen, zoals carbonvezelversterkte kunststoffen die sterk en licht zijn, of de anode of kathode van een accu, bijvoorbeeld nikkel, mangaan en kobalt in het geval van een NMC-kathode. Recycling van deze materialen is complex omdat de verschillende materialen vaak moeilijk te scheiden zijn. Daardoor is er veel overlap met de recycling van andere samengestelde materialen, zoals printplaten, zonnepanelen of permanente magneten.

Shoshan Abrahami stelt dat er de afgelopen tien tot twintig jaar veel veranderd is op het gebied van recycling, maar dat sommige onderdelen nog steeds in de kinderschoenen staan: "Hydrometallurgie is niet nieuw, maar wordt momenteel nog maar beperkt toegepast voor accu's. Bestaande accurecyclingbedrijven gebruiken met name pyrometallurgie. Er zijn momenteel veel nieuwe investeringen in nieuwe faciliteiten die hydrometallurgie willen toepassen. Toen ik ruim tien jaar geleden begon met mijn studie was er minder aandacht voor recycling dan nu. De interesse is vooral toegenomen door nieuwe wet- en regelgeving die recycling verplicht stelt, voor accu's, maar ook voor andere materialen."

Van pyro naar hydro

Veiligheid: ontladen en shredden

Bij zowel pyro- als hydrometallurgie zijn veiligheidsmaatregelen essentieel om risico's als brand of giftige dampen te voorkomen. Nog voor de demontage worden de accucellen gecontroleerd op de resterende lading en zo ver mogelijk ontladen. Het Duitse recyclingbedrijf Duesenfeld stelde zelfs dat dit 50 procent van de energie oplevert die nodig is voor het recyclingsproces.

Idealiter wordt het smelten of shredden van de accu's gedaan in een gecontroleerde atmosfeer zonder zuurstof, om brand te voorkomen. Hiervoor kan een inerte atmosfeer worden gebruikt met bijvoorbeeld argon of stikstof; deze gassen reageren niet met de accucellen of andere reactieve materialen.

Op dit moment is het overgrote deel van alle accurecycling dus gebaseerd op pyrometallurgie, dat al decennialang wordt gebruikt in de metaalrecyclingindustrie, vooral voor staal, maar ook voor bijvoorbeeld loodzuuraccu's. Deze historische ontwikkeling heeft geleid tot gevestigde infrastructuur en expertise, waardoor het gemakkelijker is om deze techniek te gebruiken, en waar nodig aan te passen, voor het recyclen van lithiumionaccu's. Gezien de aanzienlijke investeringen die al in deze technologie zijn gedaan, is pyrometallurgie een kosteneffectieve optie, die bovendien bijzonder effectief is in het terugwinnen van waardevolle metalen als kobalt, nikkel en koper. Een praktijkvoordeel is dus dat pyrometallurgie niet noodzakelijk voorafgaande sortering en demontage van accu's vereist, waardoor het een relatief rechttoe rechtaan proces is. Dit maakt het geschikt voor het verwerken van grote hoeveelheden accuafval met uiteenlopende chemie en condities.

Abrahami benadrukt dat de hydrometallurgische route in de toekomst waarschijnlijk belangrijker wordt: "Lithium en mangaan zijn niet of nauwelijks terug te winnen met pyrometallurgie en dat geldt ook voor grafiet. Het wordt steeds belangrijker om die grondstoffen terug te winnen, niet alleen vanwege het milieu, maar ook om minder afhankelijk te worden van de import van grondstoffen uit landen als Rusland, China en andere landen buiten de EU."

Lithium is relatief goedkoop en in principe overvloedig beschikbaar, waardoor een economische stimulans om lithium op grote schaal te recyclen vooralsnog uitbleef, vooral omdat dit complexere en initieel duurdere methoden als hydrometallurgie vereist. Dit is veranderd door nieuwe EU-wetgeving waarbij lithium als kritisch materiaal wordt aangemerkt dat essentieel is voor energieopslag en e-mobiliteit. Momenteel wordt lithium niet of nauwelijks gerecycled, maar dat moet in de nabije toekomst veranderen. De initiële opzetkosten voor hydrometallurgische processen zijn vaak hoger, onder andere voor gespecialiseerde apparatuur en chemicaliën die nodig zijn voor het leachingproces. Ook is er vooraf meer demontage nodig, evenals sortering op de gebruikte chemie. Op de lange termijn is deze techniek waarschijnlijk goedkoper.

Innovaties

Los van de omschakeling richting hydrometallurgie zijn er ook nog andere accurecyclingtechnieken in ontwikkeling, zoals direct recycling. Deze methode richt zich op het fysiek demonteren van accucellen, met het mechanisch scheiden van alle onderdelen en het behouden van de elektrodematerialen: de kathode en anode. De originele structuur van de actieve materialen blijft dan dus intact en ze kan vervolgens weer in nieuwe cellen worden gebruikt. Dit zou bijvoorbeeld kunnen bij cellen die om de een of andere reden zijn afgekeurd, zoals een mislukte batch. Voor gebruikte cellen is dit iets minder nuttig omdat de structuur van de actieve materialen aangetast kan zijn, bijvoorbeeld door de ophoping van lithium, waardoor hergebruik inefficiënt wordt. Ook is het vrij duur om iedere cel individueel te demonteren en vervolgens weer in elkaar te zetten, wat minder efficiënt werkt dan bij massaproductie op basis van rollen.

Een andere methode is biologische leaching, of kortweg bioleaching. In plaats van chemicaliën wordt er dan gebruikgemaakt van bacteriën of schimmels om metalen uit accuafval te extraheren. De micro-organismen 'eten' de metalen, waardoor ze worden gescheiden van andere materialen. Deze aanpak is milieuvriendelijker en vereist potentieel minder energie, maar bioleaching gaat traag, waardoor dit voor een snelgroeiende industrie minder interessant is. Bacteriën worden vaker ingezet als alternatief voor chemicaliën (zie ook dit interview over computational biology), maar deze veelbelovende methode van recycling bevindt zich nog in de onderzoeksfase.

Joep van de Ven is PhD-onderzoeker bij de TU Delft en werkt samen met Shoshan Abrahami. Hij specialiseert zich in lithiumionaccu's en is momenteel bezig met een onderzoek of het mogelijk is op basis van een hydrometallurgisch proces LFP- en NMC-accu's samen te recyclen, ook al is de chemische samenstelling onderling zeer verschillend. Als dit mogelijk zou zijn, zou dit het recyclingproces vergemakkelijken omdat beide soorten chemie momenteel veel gebruikt worden, niet alleen in elektrische auto's, maar ook in thuisaccu's en elektrische bussen en vrachtwagens.

Van de Ven: "Mijn onderzoek gaat nu over de samenstelling van de lithiumionafvalstroom uit consumentenelectronica en het effect hiervan op hydrometallurgische recycling. Denk dan bijvoorbeeld aan verschillende chemie van de kathodes en onzuiverheden, zoals aluminium, koper en grafiet. Het samen recyclen van LFP en NMC is hier een voorbeeld van waar we pas mee zijn begonnen. Ik heb tot nu toe vooral gekeken naar het effect van de kathodechemie op leaching."

Microscoopbeeld van LFP- en NMC-accumateriaal. Bron: TU Delft

Recyclebaarheid per grondstof

Nikkel en kobalt worden via pyrometallurgische recycling dus al behoorlijk effectief verwerkt en zijn met hydrometallurgie nog efficiënter en hoogwaardiger terug te winnen, tot wel 95 procent. Lithium is in kleinere hoeveelheden aanwezig in vergelijking met andere metalen als nikkel of kobalt, en door de hoge temperaturen kan het vervluchtigen of reageren met andere elementen, waardoor het moeilijker te scheiden is. Een andere uitdaging, voor alle technieken, is dat het lithium door de hele accu verspreid zit: in de anode, in de kathode en in de elektrolyt. Met hydrometallurgie is momenteel ongeveer 50 tot 70 procent van het gebruikte lithium terug te winnen. Het theoretisch maximale rendement is ongeveer 90 procent.

Net als lithium is mangaan gevoelig voor te hoge temperaturen en kan het zich vermengen met slakken, in het Engels: slag, een glasachtig bijproduct dat ontstaat tijdens het smelten of raffineren van metalen, of samensmelten met andere metalen, wat de extractie ervan hindert. Het wordt momenteel nog niet of nauwelijks gerecycled, ook omdat het niet echt schaars is, maar dat zou met geoptimaliseerde hydrometallurgie in principe wel kunnen.

Van alle componenten is grafiet het lastigst terug te winnen. Bij hoge temperaturen wordt het omgezet in kooldioxide, waardoor het verloren gaat. Met behulp van hydrometallurgie kan het worden teruggewonnen, maar wel veel lastiger dan andere materialen: ongeveer 50 procent kan worden hergebruikt. Het lost niet op tijdens de hydrometallurgische processen en kan relatief makkelijk gescheiden worden, maar het is lastig om de hoge kwaliteit die vereist is voor gebruik in accu's terug te krijgen. Grafiet wordt gebruikt voor de anode van lithiumionaccu's en komt voor het overgrote deel, ongeveer voor 70 tot 80 procent, uit China. Het kan ook synthetisch worden gemaakt, op basis van petroleumcokes. Op dit moment wordt er steeds meer silicium toegevoegd aan grafietanodes omdat dit een hogere energiedichtheid oplevert. In de toekomst zou silicium grafiet mogelijk helemaal kunnen vervangen. Het voordeel daarvan is dat silicium (zand) vrijwel overal te winnen en produceren is. Ook silicium zou in theorie te recyclen zijn via hydrometallurgie, maar het zou wel een specifiek proces vereisen en het is de vraag of dat rendabel zou kunnen worden.

• Volgende pagina 4. Wetgeving en geopolitiek