Kun ihmisille alkaa pikku hiljaa valjeta, kuinka paljon kriittisiä metalleja ja mineraaleja siirtyminen sähköautoihin, aurinkoenergiaan ja tuulivoimaan tulee vaatimaan, kasvaa myös vaatimus lisätä näiden metallien kierrätystä esimerkiksi käytetyistä litiumioniakuista. Kierrätyksestä toivotaan pelastusta siihen, että kenenkään ei tarvitsisi avata uusia kaivoksia. Ainakaan Eurooppaan tai Suomeen. Akkujen kierrätyksen taikajauhe on niin sanottu musta massa, josta kaikki puhuvat, mutta harva on sen sielunelämään syvällisemmin perehtynyt. Syyskuussa Genevessä järjestetyn International Conference on Battery Recycling (ICBR 2021) –konferenssin yhteydessä pidettiin erillinen työpaja, joka keskittyi mustan massan mahdollisuuksiin, mutta myös sen käsittelyyn liittyviin teknisiin ja lainsäädännöllisiin haasteisiin. Seuraavassa akkukierrätysyritys Accurecin mielenkiintoinen analyysi mustaan massaan liittyvistä teknisistä haasteista.
ICBR 2021 –konferenssin työpajassa puhunut Accurec-yhtiön edustaja totesi esityksensä alkuun, että musta massa ei ole mikään vakio- tai standardituote, vaan sen sisältö riippuu täysin siitä, mistä kierrätysakuista se on tehty.
Mustassa massassa on paljon eri aineita, mutta niiden erottelun pitäisi onnistua mekaanisesti ja kemiallisesti varsin hyvin. Kuvassa 1 alla on esimerkki yksittäisen 18650-kennon materiaalisisällöstä ja mitä siitä jää jäljelle mustaan massaan prosessin jälkeen.
Kuva 1. Mustan massan sisältö vaihtelee täysin sen mukaan, millaista akkujätettä käsitellään. (Kuva: Accurec / ICBR 2021)
Akun rakenne tuo lisähaastetta kierrätykseen
Kierrätyksen kannalta ensimmäinen haaste on Accurecin mukaan akun rakenne. Ikävä piirre litiumioniakuissa on, että akkumateriaalit tarttuvat tiukasti akun kalvoihin, mikä on hyvä ominaisuus akussa (”good battery is sticky”). Kierrätysvaiheessa nämä ”tahmeat” jauheet ja aineet ovat haastavia, kertoi Accurecin edustaja.
Akkujen tuotesuunnittelijat ovat tehneet kovasti työtä liimatakseen materiaalit yhteen ja näin syntyy tavallaan ”superkomposiiitti”. Tulevaisuudessa akkujen materiaalit muodostavat vieläkin tiukemman paketin. Akkujen murskaaminen kierrätysprosessissa ei tätä ongelmaa ratkaise, muistutti Accurecin edustaja.
Kuva 2. Litiumioniakun rakenne tuo lisähaastetta kierrätykseen. (Kuva: Accurec / ICBR 2021)
Haasteena myös lukuisat eri applikaatiot, akkukemiat ja epäpuhtaudet
Tulevaisuudessa litiumioniakkujen kierrätys muuttuu entistä haastavammaksi, kun markkinoille tulee entistä enemmän erilaisia akkukemioita, ja akkukierrätyksen jätevirrasta tulee entistäkin vaihtelevampaa, arvioi Accurec esityksessään.
Markkinoille tulee paljon erilaisia akkuja eikä niiden kemiaa voi päätellä applikaation perusteella (sähköpyörän akku, ladattavan työkalun akku, sähköauton akku jne.). Kuva 3 alla havainnollistaa, miten paljon erilaisia akkukemioita löytyy jo tänä päivänä erilaisista akkujen käyttökohteista.
Tällaisen akkujen kierrätysmateriaalin lajittelu on hyvin haastavaa. Lajittelussa päästään nykyisillä menetelmillä noin 70 prosentin tarkkuuteen, lopuista 30 prosentista on hyvin vaikea sanoa, mitä akkukemiaa ne edustavat, kertoi Accurec ICBR 2021 -konferenssin työpajassa.
Kuva 3. Litiumioniakun rakenne tuo lisähaastetta kierrätykseen. (Kuva: Accurec / ICBR 2021)
Kuva 4. Esimerkkejä eri laitteissa käytettävistä litiumioniakuista ja niiden akkukemioista. Keräysastiaan päätyy helposti myös muita tuotteita kuin litiumioniakkuja ja niiden mukana erilaisia epäpuhtauksia, kuten lyijyä, kadmiumia ja sinkkiä, jotka vaikuttavat prosessin lopputuloksena syntyvän mustan massan laatuun. (Kuva: Accurec / ICBR 2021)
Sähkö- ja hybridiautojen ajovoima-akkujen kierrättäminen
Oma lukunsa akkukierrätyksen näkökulmasta on sähkö- ja hybridiautojen isojen ajovoima-akkujen kierrätys. Accurecin mukaan markkinoilta löytyy kierrättäjän kannalta enemmän tai vähemmän mukavia ajovoima-akkuja (ks. kuva 5 alla). Osa akkupaketeista saadaan kohtuullisen helposti purettu moduuleiksi ja edelleen kennoiksi.
Ikävämpiä tapauksia ovat ajovoima-akut, joiden rakenne on tiukasti integroitu. Ihan uusia haasteita tulee jatkossa, kun akkumoduulit asennetaan suoraan auton alustan osaksi, kuten tulevassa Teslan Y-mallissa.
Ajovoima-akkujen kierrätysprosessissa mustaan massaan jää helposti esimerkiksi alumiinia, rautaa, piitä, kuparia, bromia ja tinaa.
Kuva 5. Sähkö- ja hybridiautojen ajovoima-akkujen purkaminen tuo omat haasteensa kierrätykseen. (Kuva: Accurec / ICBR 2021)
Kuljetusmääräysten edellyttämät pakkausmateriaalit aiheuttavat ongelmia
Vaarallisten aineiden kuljetuksille voimassa olevat VAK/ADR-määräykset edellyttävät, että kierrätykseen tulevien litiumioniakkujen pakkaamisessa kuljetusta varten tulee käyttää eristemateriaaleja, jotka pienentävät tulipalojen ja kemikaalivuotojen riskiä sekä rajaavat tulipaloa, mikäli sellainen pääsee syntymään esimerkiksi oikosulun takia.
Litiumioniakkujen varastoinnin ja kuljetuksen kannalta hyödyllinen eristemateriaali aiheuttaa valitettavasti myös ongelmia akkujen kierrätysvaiheessa, koska kierrätysmateriaalia päätyy helposti mukaan myös kierrätysprosessiin. Tämän seurauksena mustaan massaan päätyy epäpuhtauksina esimerkiksi piitä, kalsiumia, natriumia ja mangaania. Kuvassa 6 esimerkkejä, miltä erilaiset eristemateriaalit näyttävät kierrättäjän kannalta.
Kuva 6. VAK/ADR-määräysten mukaiset eristemateriaalit tuovat helposti epäpuhtauksia kierrätysprosessiin. (Kuva: Accurec / ICBR 2021)
Varsinainen kierrätysprosessi
Accurec kävi esityksessään läpi myös erilaisia prosessivaihtoehtoja litiumioniakkujen kierrätykseen. Karkeasti ottaen vaihtoehtoina ovat mekaaninen käsittely, terminen käsittely (pyrometallurgia) ja kemiallinen käsittely (hydrometallurgia). Usein kierrättäjät käyttävät rinnakkain useita eri menetelmiä poistaakseen epäpuhtauksia (esim. terminen käsittely ennen hydrometallurgista käsittelyä) tai tehostaakseen prosessia (esim. mekaaninen lajittelu ja purku, jolloin prosessiin menevä materiaali on tasalaatuisempaa). Kuvassa 7 on kuvattu kierrätysprosessien eri vaiheita, joissa pyritään poistamaan/ottamaan talteen tietty/tietyt materiaalit.
Kierrätysprosessissa on todella paljon eri parametrejä, kuten murskaustekniikka, tavoiteltava raekoko, termisen käsittelyn lämpötila, kemikaalien käyttö, palokaasujen hallinta sekä veden ja energian kulutus. Optimaalisen prosessin suunnittelu on haastavaa, koska prosessiin tulevan kierrätysjakeen koostumus vaihtelee paljon, kuten edellä kuvattiin. Huomattavasti helpompi tilanne on silloin, kun kierrätysprosessissa käsitellään esimerkiksi akkutehtaan tuotantoprosessin jätettä, jonka pitoisuus on hyvin tiedossa ja epäpuhtauksien määrä pieni.
Kuva 7. Litiumioniakkujen kierrätyksessä käytetään useita erilaisia käsittely- ja talteenottomenetelmiä. (Kuva: Accurec / ICBR 2021)
26. International Conference on Battery Recycling (ICBR 2021) -konferenssi järjestettiin Genevessä 22.-24.9.2021.
Toim.huom. Syyskuun lopulla jo 26. kerran järjestetty ICBR -konferenssi on akkukierrätysväen keskuudessa jo klassikko. Koronasta huolimatta tapahtuma keräsi Geneveen ja linjoille useita satoja akku- ja kierrätysalan asiantuntijoita. Suomalaistakin väriä oli mukana tämän vuoden seminaarissa, kun Fortum oli kertomassa yhtiön akkukierrätysliiketoiminnan kuulumisia Tero Holländerin ansiokkaan esityksen muodossa – hienoa Suomen koko akkuekosysteemin markkinointia häneltä. Jos mustaan massaan keskittyneen erillisen työpajan aineistot ja seminaarin esityksen muuten kiinnostavat, kannattaa olla yhteyksissä konferenssin järjestäjään ICM:ään. Kaikki esitykset on videoitu ja aineistot ovat saatavilla verkosta nimellistä korvausta vastaan.
(Julkaistu 11.10.2021)
Lähteet:
- How to integrated black mass into a circular economy of lithium-ion batteries. Accurec, 26th ICBR confrence, Geneva. September 2021.
- ICBR 2021 Media Release September 9, 2021. ICM.
Lisää aiheesta:
