How Long Does An Electric Car Battery Last? Wat gebeurt er bij het weggooien en recyclen?

gepubliceerd op 2020, 9 maart

Wat is de levensduur van een elektrische auto accu? Hoe lang gaat een batterij van een elektrische auto mee? Wat gebeurt er met een lithium-ionbatterij aan het einde van zijn levenscyclus? Hoe wordt deze verwijderd? Of wordt hij gerecycleerd?

Vervoer heeft een zeer grote invloed (14% volgens het IPCC) op de totale hoeveelheid broeikasgassen die door de mens in de atmosfeer wordt uitgestoten. De negatieve gevolgen van de toenemende luchtverontreiniging, vooral in stedelijke gebieden, worden steeds meer bestudeerd en besproken. En er is een dringende noodzaak om, op wereldschaal, tegen 2050 een netto-nuluitstoot te bereiken om de mondiale temperatuur onder 2°C te houden.

Elektrische voertuigen zijn een zeer belangrijke oplossing voor de bovenstaande uitdagingen. Sinds elektrische mobiliteit een groenere en milieuvriendelijkere oplossing blijkt te zijn dan thermische voertuigen, neemt de vraag ernaar toe.

Volgens het EV30@30-scenario van het Internationaal Energieagentschap zou de verkoop van elektrische voertuigen (EV’s) kunnen oplopen tot 43 miljoen en een voorraadaantal van meer dan 250 miljoen. Maar laten we de vaak genegeerde kant van de zogenaamde zero-emissie voertuigen niet vergeten: hun batterijen.

The Impact Of Electric Car Batteries: Zijn ze slecht voor het milieu?

Eén van de belangrijkste punten van kritiek op elektrische auto’s en elektrische voertuigen in het algemeen heeft te maken met hun accu’s. Deze lithium-ionbatterijen (LIB’s) lijken veel op een opgeschaalde versie van de batterij van een smartphone. Alleen gebruiken elektrische voertuigen niet één enkele batterij zoals een telefoon. In plaats daarvan gebruiken ze een pakket dat bestaat uit duizenden afzonderlijke lithium-ioncellen die samenwerken. Of het nu op kleine of op grote schaal gebeurt, deze batterijen hebben gedurende hun hele levenscyclus aanzienlijke gevolgen voor het milieu en de samenleving.

Eerst belangrijk: de winning van zeldzame aardmetalen voor batterijen voor elektrische auto’s. Als we bijvoorbeeld kijken naar de twee belangrijkste manieren van primaire productie, “is er 250 ton van het mineraalerts spodumeen nodig als het wordt gedolven, of 750 ton mineraalrijke pekel om één ton lithium te produceren”. Zomaar.

In feite is, volgens dezelfde bron (Harper et. al. 2019), de waterbehoefte om op deze manier geproduceerd lithium te verwerken zeer hoog: een ton lithium vereist 1.900 ton water om te winnen, dat wordt verbruikt door verdamping. Nog steeds op dit punt, moeten Chileense boeren vaak water importeren uit andere regio’s – aangezien Chili intensief ontgonnen gebieden actief heeft. Ondanks de hoge milieukosten vormen de lithiumreserves vanuit het oogpunt van de omvang ervan geen bedreiging. Maar kobaltreserves kunnen dat wel zijn.

De kobaltreserves, waarvan de vraag voor de batterijproductie tegen 2050 ongeveer 14% van de huidige kobaltreserves zou kunnen verbruiken, zijn sterk geconcentreerd in de Democratische Republiek Congo – een vaak onstabiele politieke regio. Dus als een van de voordelen van elektrische voertuigen is dat ze de afhankelijkheid van buitenlandse olie-invoer verminderen, kunnen de prijsschommelingen van kobalt ook een uitdaging vormen. Bovendien kunnen er ook ethische vragen rijzen in verband met ambachtelijke mijnen waar kinderarbeid wordt gebruikt.

• Gerelateerd:
  • Zijn elektrische auto’s echt groener?

Hoe lang gaan accu’s van elektrische auto’s mee? Worden ze gerecycled?

De bovenstaande gevolgen helpen te verklaren waarom het label ‘nulemissievrij’ vaak als oneerlijk wordt beschouwd en misleidend kan zijn. Want ook al stoten elektrische auto’s op de weg geen emissies uit, de accu’s in de auto’s hebben wel degelijk een impact. Ook auto’s die worden aangedreven door elektrische netwerken die grotendeels op fossiele brandstoffen lopen, stoten onderweg misschien geen emissies uit, maar de emissies hebben nog steeds plaatsgevonden in een of andere verafgelegen elektriciteitscentrale.

Nicknames daargelaten, lithium-ionbatterijen hebben naar schatting een levensduur van 15-20 jaar. Tientallen honderden laad- en ontlaadcycli later, wat gebeurt er als een batterij te versleten is om nog te rijden? Wat zal er gebeuren met de 250.000 ton afval die het gevolg zal zijn van de 1 miljoen elektrische voertuigen die in 2017 zijn verkocht – vragen onderzoekers van de Universiteit van Birmingham, en nu ook de lezer, zich af.

Gaines, een onderzoeker aan het Argonne National Laboratory, suggereert dat de meeste batterijen ofwel naar stortplaatsen worden gestuurd of worden opgeslagen en opgeslagen – beide zeer bekritiseerbare oplossingen. Terwijl de eerste de omringende bodem en het onderwater kan verontreinigen, wordt de tweede bekritiseerd omdat er branden zijn geweest op afvalopslagplaatsen als gevolg van lithium-ion-batterijen (verzonden als lood-zuur-batterijen). Er worden echter nieuwe en interessante afzetmogelijkheden gevonden voor accu’s voor elektrische auto’s.

• Gerelateerd:
  • Hydrogene auto’s vs. elektrische auto’s: Which Is More Sustainable?

The Desired Lifecycle Of An Electric Car Battery

De onderzoekers van de universiteit van Birmingham zeggen dat de netto-impact van de productie van lithium-ionbatterijen “aanzienlijk kan worden verminderd als meer materialen kunnen worden teruggewonnen uit afgedankte LIB’s, in een vorm die de bruikbaarheid zo dicht mogelijk benadert.” In dezelfde studie spreken zij ook van een afvalbeheerhiërarchie en een reeks recyclingopties.

Volgens dit model zouden batterijen eerst zo moeten worden ontworpen dat zij zo min mogelijk kritieke materialen gebruiken. Vervolgens moeten ze worden hergebruikt, wat betekent dat batterijen voor elektrische voertuigen een tweede keer moeten worden gebruikt voordat ze worden gerecycled – waarbij materialen zoveel mogelijk moeten worden teruggewonnen en de structurele waarde en kwaliteit van een batterij behouden moet blijven.

In de “terugwinningsfase” die volgt, zouden sommige batterijmaterialen moeten worden gebruikt als energie voor processen zoals brandstof voor pyrometallurgie. De laatste stap is het weggooien van wat geen waarde meer heeft en het naar stortplaatsen sturen. Dit betekent dat wanneer de batterij van een elektrisch voertuig slechts voor 70-80% energie kan opslaan in vergelijking met het oorspronkelijke niveau, recycling niet de stap is die moet volgen – hergebruik komt eerst. Maar waar kunnen batterijen worden hergebruikt? En hoe?

• Gerelateerd:
  • Duurzame mobiliteit: Zijn elektrische scooters milieuvriendelijk?

Waar kunnen accu’s voor elektrische auto’s worden hergebruikt voordat ze worden gerecycled?

De markt voor gebruikte accu’s voor elektrische voertuigen voor energieopslag groeit en de vraag zou het aanbod wel eens kunnen overtreffen. Dit is echter een langzame en, tot op zekere hoogte, onzekere groei. En de redenen daarvoor zijn tegelijk eenvoudig en complex.

Batterijen hergebruiken om ze opnieuw te gebruiken voor een ander doel, zoals laadstations of stationaire energieopslag (zij het in fabrieken, woongebouwen, ziekenhuizen…) is de logische exit voor een batterij die een elektrisch voertuig achterlaat. Alleen is het niet zo eenvoudig als een batterij van de ene kant naar de andere kant brengen.

Voordat batterijen worden verzonden om te worden hergebruikt, moeten packs, modules en cellen worden beoordeeld op zaken als hoe lang ze nog een lading kunnen vasthouden en hoe opgeladen ze op dit moment zijn. Terwijl het eerste vooral belangrijk is om te bepalen of het de moeite loont een batterij op te sturen voor hergebruik (en voor welke toepassingen), is de beoordeling van de hoeveelheid opgeslagen energie van belang voor de veiligheid (of zelfs voor economische overwegingen) bij recyclingprocessen. In beide gevallen (hergebruik of recycling) is de weg die volgt een hele uitdaging.

• Gerelateerd:
  • De groenste steden ter wereld. Wat kunnen we van hen leren?

Het ontmantelen van accu’s: Een manueel, gevaarlijk en duur proces

Wat er ook met een batterij gebeurt, na een evaluatie van de ladingseigenschappen moet ze met de hand worden ontmanteld – en hier wordt het moeilijk. Vanwege het zware gewicht van een batterij en de hoge trekspanningen zijn gespecialiseerde isolatiegereedschappen nodig, samen met gekwalificeerde monteurs (waaraan een tekort lijkt te zijn) om ze te bedienen.

Bovendien wijzen sommige studies erop dat in landen met hoge arbeidskosten, de opbrengsten van de gewonnen materialen economisch niet de moeite waard kunnen zijn. Dit alles maakt geautomatiseerde demontagetechnieken als mogelijke oplossing deel uit van de discussie.

Automatisering zou de gevaarfactor van de vergelijking wegnemen en naarmate de ontwikkeling ervan vordert, zouden de kosten ervan op den duur dalen. Robots zouden ook helpen bij het verbeteren van de “mechanische scheiding van materialen en onderdelen, het verbeteren van de zuiverheid van gescheiden materialen en het efficiënter maken van downstream scheidings- en recyclingprocessen – volgens Harper et. al.

• Gerelateerd:
  • Duurzaamheidsstrategie: Businesses Are Increasingly Looking For Electric Vehicles

Dismantling Electric Vehicle Batteries Is Too Complex For Robots

Electric vehicle batteries are hard for robots to crack. Dit komt doordat automatisering en robotica zijn gebaseerd op repetitieve taken en elektrische batterijen uitdagende eisen met zich meebrengen, zoals diversiteit in het ontwerp.

Er zijn verschillende lithium-ion elektrische batterijontwerpen die geen gestandaardiseerd automatiseringsproces mogelijk maken. Er worden computervisie-algoritmen ontwikkeld om verschillende batterijen, componenten en materialen te herkennen en van elkaar te onderscheiden. Om hun taken echter (gemakkelijker) met succes te kunnen vervullen, moeten fabrikanten machineleesbare kenmerken zoals QR-codes of labels of andere op de belangrijkste batterij-elementen afdrukken.

Bovendien betekent het ontmantelen van batterijen bijvoorbeeld losschroeven of te maken krijgen met hechtingsmethoden en opspaninrichtingen die veel werk van robots met gevoelige batterij-onderdelen vereisen. Dit leidt tot gecompliceerde dynamica en besturingsproblemen, zoals gelijktijdige kracht- en bewegingsregeling. Het is een complexe taak, maar een die in de toekomst waarschijnlijk haalbaar is.

• Gerelateerd:
  • Automatisering en robots komen eraan – Hoe groot is de kans dat uw baan overleeft?

De laatste uitdaging bij het ontmantelen van accu’s voor elektrische voertuigen: Recycling

Recycling, en niet storten, zou het uiteindelijke lot moeten zijn van alle lithium-ion batterijen, zelfs voordat ze voor andere doeleinden worden gebruikt dan het opslaan van energie voor elektrische voertuigen. Het voorkomt schadelijke vervuiling op stortplaatsen en de mogelijkheid van explosies in opgehoopte batterijen. Het kan ook belangrijke economische voordelen opleveren dankzij de waarde van de teruggewonnen mineralen en het vermijden van voortdurende delfstofwinning – waardoor de druk op de bevoorradingsketens afneemt.

Zodra batterijen de recyclinginstallaties bereiken, worden ze ontladen en worden de materialen waaruit ze bestaan, gesorteerd. Op deze manier worden materialen zoals nikkel, kobalt, mangaan of koper uitgesorteerd via verhitting en versnipperingsprocessen, gevolgd door andere zoals ferromagnetisme of hydrofobiciteit.

Als de batterijen overblijven met een aanzienlijk gevaarlijke lading, worden ze ofwel versnipperd in een inert gas zoals stikstof of kooldioxide, of ze kunnen worden ontladen via zoutoplossingen – beide zijn manieren om chemische reacties te vermijden met verschillende voor- en nadelen.

De toekomst van elektrische voertuigen en lithium-ion-batterijen

Zoals we hebben gezien, zijn er veel beperkingen die een kloof creëren tussen hoe batterijen idealiter zouden moeten worden behandeld en wat er effectief mee gebeurt. Ze weg houden van stortplaatsen blijft van cruciaal belang om de aanvoer van kritische materialen zoals kobalt of lithium veilig te stellen, maar het ontmantelen ervan blijft een gevaarlijke en dure klus die met de hand wordt geklaard.

Deze uitdagingen kunnen niettemin worden overwonnen naarmate betere sorteertechnologieën worden ontwikkeld, samen met geautomatiseerde demontage en slimme scheiding van verschillende batterijen naar verschillende stromen (herfabricage, hergebruik of recycling). Niettemin zou een optimalisering van de batterijontwerpen voor hergebruik en/of recycling ook de geautomatiseerde demontage van batterijen vergemakkelijken.

In de studie van Birmingham wordt het ook belangrijk geacht de uitdaging aan te gaan nieuwe stabilisatieprocessen te ontwerpen die het mogelijk maken afgedankte batterijen te openen en te scheiden, en technieken of processen te ontwikkelen om ervoor te zorgen dat de onderdelen tijdens de recycling niet worden verontreinigd. Hoogstwaarschijnlijk, naarmate de elektrische mobiliteit groeit, zal ook het onderzoek en de experimenten over hoe deze en andere uitdagingen te overwinnen die inherent zijn aan het houden van batterijen voor elektrische voertuigen in een cirkelvormige kringloop en weg van stortplaatsen.