Hur länge håller ett elbilsbatteri? Vad händer vid bortskaffande och återvinning?

Publicerat 2020, 9 mars

Vad är livslängden på ett elbilsbatteri? Hur länge håller ett elbilsbatteri? Vad händer med ett litiumjonbatteri i slutet av dess livscykel? Hur sker bortskaffandet av det? Eller återvinns det?

Transporter har en mycket stor inverkan (14 % enligt IPCC) på den totala mängden växthusgasutsläpp som människan släpper ut i atmosfären. De negativa effekterna av den ökande graden av luftföroreningar, särskilt i stadsområden, studeras och diskuteras i allt större utsträckning. Och det finns ett brådskande behov av att på global nivå nå netto-nollutsläpp senast 2050 för att hålla den globala temperaturen under 2ºC.

Elektriska fordon är en mycket viktig lösning på ovanstående utmaningar. Eftersom elfordon har visat sig vara en grönare och mer miljövänlig lösning jämfört med termiska fordon har efterfrågan på dem ökat.

Enligt Internationella energiorganets EV30@30-scenario kan försäljningen av elfordon (EVs) nå 43 miljoner och ett lagerantal som är större än 250 miljoner. Men låt oss komma ihåg den ofta ignorerade sidan av de så kallade utsläppsfria fordonen: deras batterier.

The Impact Of Electric Car Batteries: Är de dåliga för miljön?

En av de viktigaste kritikpunkterna mot elbilar och elfordon i allmänhet har att göra med deras batterier. Dessa litiumjonbatterier (LIB) påminner mycket om en uppskalad version av batteriet i en smartphone. Endast elfordon s använder inte ett enda batteri som en telefon. I stället använder de ett paket bestående av tusentals enskilda litiumjonceller som arbetar tillsammans. Oavsett om det är i liten eller stor skala har dessa batterier betydande miljömässiga och sociala konsekvenser under hela sin livscykel.

Först av allt: utvinningen av sällsynta jordartsmetaller för elbilsbatterier. Om vi till exempel tar hänsyn till de två huvudsakliga formerna av primärproduktion, ”krävs det 250 ton av mineralmalmen spodumen när den bryts, eller 750 ton mineralrik saltlösning för att producera ett ton litium”. Enligt samma källa (Harper et. al. 2019) är vattenbehovet för att bearbeta litium som produceras på detta sätt mycket högt: ett ton litium kräver 1 900 ton vatten för att utvinna, vilket förbrukas genom avdunstning. Fortfarande i denna fråga behöver chilenska jordbrukare ofta importera vatten från andra regioner – eftersom Chile har intensivt gruvade områden aktiva. Trots de höga miljökostnaderna är litiumreserverna ur ett storleksperspektiv inget hot. Men koboltreserverna kan vara det.

Koboltreserverna, vars efterfrågan för batteritillverkning kan komma att förbruka cirka 14 procent av de nuvarande koboltreserverna fram till 2050, är starkt koncentrerade till Demokratiska republiken Kongo – en ofta instabil politisk region. Så om en av fördelarna med elfordon är att de minskar beroendet av utländsk oljeimport kan koboltprisfluktuationerna också vara en utmaning. Dessutom kan etiska frågor som rör hantverksmässiga gruvor som använder barnarbete också väckas.

• Relaterat:
  • Är elbilar verkligen grönare?

Hur länge håller elbilsbatterier? Återvinns de?

Dessa effekter ovan hjälper till att förklara varför nollutsläppsmärket ofta anses orättvist och kan vara vilseledande. För även om elbilar inte släpper ut några utsläpp på vägen har batterierna i dem sin del av påverkan. Även bilar som drivs av elnät som till största delen drivs med fossila bränslen släpper kanske inte ut något på vägen, men utsläppen har ändå skett i något avlägset kraftverk.

Nickar man bort det, beräknas litiumjonbatterier ha en livslängd på 15-20 år. Efter tiotals hundra laddnings- och urladdningscykler, vad händer när ett batteri är för slitet för att köras? Vad kommer att hända med de 250 000 ton avfall som kommer att bli resultatet av de 1 miljon elbilar som säljs 2017 – det undrar forskare från University of Birmingham, och nu även läsaren.

Gaines, forskare vid Argonne National Laboratory, föreslår att de flesta batterier antingen skickas till soptippar eller lagras och förvaras – båda mycket kritisabla lösningar. Medan den första metoden kan förorena den omgivande marken och grundvattnet, kritiseras den andra eftersom det har inträffat bränder i avfallslager på grund av litiumjonbatterier (skickade som blybatterier). Nya och intressanta utvägar för elbilsbatterier håller dock på att hittas.

• Relaterat:
  • Hydrogen Cars Vs Electric Cars:

The Desired Lifecycle Of An Electric Car Battery

Forskarna från Birmingham University säger att nettopåverkan från tillverkningen av litiumjonbatterier ”kan minskas avsevärt om mer material kan återvinnas från uttjänta litiumjonbatterier, i en form som är så nära användbar som möjligt”. I samma studie talar de också om en avfallshanteringshierarki och en rad återvinningsalternativ.

Enligt denna modell bör batterier först utformas så att de använder så få kritiska material som möjligt. De bör sedan återanvändas, vilket innebär att batterier för elfordon bör ha en andra användning innan de återvinns – där material bör återvinnas så mycket som möjligt och batteriets strukturella värde och kvalitet bör bevaras.

I den efterföljande ”återvinningsfasen” bör vissa batterimaterial användas som energi för processer som t.ex. bränsle för pyrometallurgi. Det sista steget är att göra sig av med det som inte har något värde och skicka det till deponier. Detta innebär att när batteriet i ett elfordon endast kan lagra energi till 70-80 procent jämfört med de ursprungliga nivåerna är återvinning inte det steg som bör följa – återanvändning kommer först. Men var kan batterier återanvändas? Och hur?

• Relaterat:
  • Hållbar rörlighet:

Var kan elbilsbatterier återanvändas innan de återvinns?

Då marknaden för begagnade elbilsbatterier för energilagring växer, kan efterfrågan helt enkelt komma att överstiga utbudet. Detta är dock en långsam och fram till en viss punkt osäker tillväxt. Och skälen till detta är både enkla och komplexa.

Att återanvända batterier för att återanvända dem för ett annat ändamål, t.ex. laddningsstationer eller stationär energilagring (i fabriker, bostadsbyggnader, sjukhus …) är den logiska utgången för ett batteri som lämnar ett elfordon. Men det är inte så enkelt som att ta ett batteri från en sida till en annan.

För att skicka batterier för återanvändning måste förpackningar, moduler och celler bedömas med avseende på frågor som hur länge de fortfarande kan hålla en laddning och hur laddade de är för tillfället. Det första är särskilt viktigt för att avgöra om det är värt att skicka ett batteri för återanvändning (och för vilka tillämpningar), men bedömningen av hur mycket energi som lagras har betydelse för säkerheten (eller till och med för ekonomiska aspekter) i återvinningsprocesser. I båda fallen (återanvändning eller återvinning) är vägen som följer ganska utmanande.

• Relaterat:
  • Världens grönaste städer. Vad kan vi lära oss av dem?

Demontering av batterier: En manuell, farlig och dyr process

Oavsett vad som händer härnäst med ett batteri måste det demonteras för hand efter att dess laddningsegenskaper har bedömts – och det är här det blir svårt. På grund av ett batteris tunga vikt och höga dragspänningar behövs specialiserade isoleringsverktyg, tillsammans med kvalificerade mekaniker (som det verkar råda brist på) för att sköta dem.

För övrigt pekar vissa studier på det faktum att i länder med höga arbetskraftskostnader kanske intäkterna från de utvunna materialen inte är ekonomiskt värda det. På grund av allt detta blir automatiserad demonteringsteknik en del av diskussionen som en möjlig lösning.

Automation skulle eliminera riskfaktorn i ekvationen och i takt med att den utvecklas skulle kostnaden för den minska över tiden. Robotar skulle också bidra till att förbättra den ”mekaniska separationen av material och komponenter, vilket ökar renheten hos de separerade materialen och gör separations- och återvinningsprocesserna i efterföljande led effektivare – enligt Harper et. al.

• Relaterat:
  • Hållbarhetsstrategi: Företag söker alltmer efter elfordon

Avveckling av elfordonsbatterier är för komplicerat för robotar

Elfordonsbatterier är svåra att knäcka för robotar. Detta beror på att automatisering och robotteknik bygger på repetitiva uppgifter och elbilsbatterier för med sig utmanande krav som t.ex. designdiversitet.

Det finns olika konstruktioner av litiumjonelektrobilsbatterier som inte tillåter en standardiserad automatiseringsprocess. Datorseende algoritmer för att känna igen och särskilja olika batterier, komponenter och material håller på att utvecklas för användning. För att deras uppgifter ska kunna uppfyllas (lättare) på ett framgångsrikt sätt behöver tillverkarna dock skriva ut maskinläsbara funktioner som QR-koder eller etiketter eller annat på viktiga batterielement.

För övrigt innebär demontering av batterier till exempel att skruva loss eller hantera bindningsmetoder och fixturer som kräver starkt arbete av robotar med känsliga batterikomponenter. Detta leder till komplicerade dynamik- och kontrollproblem som samtidig kraft- och rörelsekontroll. Det är ett komplicerat arbete, men troligen möjligt att utföra i framtiden.

• Relaterat:
  • Automation och robotar är på väg – hur troligt är det att ditt jobb överlever?

Den sista utmaningen vid demontering av batterier för elbilar: Återvinning

Recykling, inte soptippar, bör vara det slutliga ödet för alla litiumjonbatterier, även om det sker innan de kan användas för andra ändamål än att lagra elbilars energi. På så sätt undviker man skadlig förorening i deponier och risken för explosioner i uppgrävda batterier. Det kan också ge viktiga ekonomiska fördelar tack vare värdet av de mineraler som återvinns och man undviker konstant utvinning av mineraler – vilket minskar trycket på försörjningskedjorna.

När batterierna når återvinningsanläggningarna får de laddas ur och de material som ingår i dem sorteras ut. På detta sätt sorteras material som nickel, kobolt, mangan eller koppar ut genom uppvärmning och fragmenteringsprocesser, följt av andra material som ferromagnetism eller hydrofobicitet.

Om batterierna fortfarande har en betydligt farlig laddning, kan batterierna antingen fragmenteras i en inert gas, t.ex. kväve eller koldioxid, eller så kan de laddas ut med hjälp av saltlösningar – båda är sätt att undvika kemiska reaktioner med olika för- och nackdelar.

Framtiden för elfordon och litiumjonbatterier

Som vi har sett finns det många begränsningar som skapar en klyfta mellan hur batterier idealt bör hanteras och vad som faktiskt händer med dem. Att hålla dem borta från deponier kommer att förbli avgörande för att säkra tillgången på kritiska material som kobolt eller litium, men att demontera dem förblir ett farligt och dyrt arbete som utförs för hand.

Dessa utmaningar kan dock övervinnas i takt med att bättre sorteringsteknik utvecklas, tillsammans med automatiserad demontering och smart segregering av olika batterier till olika flöden (återtillverkning, återanvändning eller återvinning). Icke desto mindre skulle en optimering av batteriernas utformning för återanvändning och/eller återvinning också underlätta automatiserad demontering av batterier.

I Birminghamstudien anser man också att det är viktigt att ta itu med utmaningen att utforma nya stabiliseringsprocesser som gör det möjligt att öppna och separera uttjänta batterier, och att utveckla tekniker eller processer för att se till att komponenterna inte kontamineras under återvinningen. Troligtvis kommer forskningen och experimenten om hur man kan övervinna dessa och andra utmaningar som är inneboende för att hålla elbilsbatterier i ett cirkulärt kretslopp och borta från deponier att öka i takt med att den elektriska mobiliteten växer.