Het leven van een batterij: van de wieg tot het graf

Oplaadbare lithiumbatterijen vind je overal, ze leveren stroom aan apparaten en auto’s, en slaan energie op uit wind- en zonneparken voor later gebruik. Ze zijn cruciaal voor de groene energie-transitie. Maar hoe groen zijn batterijen zelf? Onderzoekers Xin Sun en Xiaohua Li kijken naar hun levenscyclus, van grondstoffen tot de verwerking van oude batterijen, en naar manieren om recycling efficiënter en groener te maken.

De batterij in je telefoon bevat materialen van over de hele wereld: lithium uit Chili of Australië, kobalt uit mijnen in de Democratische republiek Congo en zeldzame aardmetalen geleverd uit China. ‘Mijn werk is om de gevolgen voor het milieu en de sociale impact te bepalen over de hele levensduur van een batterij’, legt adjunct-hoogleraar Xin Sun uit. Hij laat zo problematische momenten zien op verschillende in het leven van een batterij – en somveelmige daarvan vinden plaats voordat de batterij überhaupt bestaat.

Kritieke materialen – lithium en kobalt

Onder de zoutvlakten van Chili bevindt zich een waterig mengsel van zouten, waaronder lithium. Dat wordt naar grote bassins opgepompt, waar het meeste water verdampt. Vervolgens wordt het lithium uit het zout gewonnen. ‘Dit is een methode die het grondwater vervuilt en de waterniveaus doet dalen. Meren waarin flamingo’s leefden zijn daardoor verdwenen – net als de vogels’, legt Sun uit.

Kobaltproductie is ook problematisch. Buitenlandse bedrijven – bijna allemaal uit China - delven ongeveer 90 procent van alle kobalt uit mijnen in Congo. ‘De sociale impact is groot, want er is veel kinderarbeid in de kobaltmijnen.’

Ondertussen, zo legt Sun uit, zijn veel materialen die gebruikt worden in elektrische auto’s of zonnepanelen inmiddels kritiek. ‘Het gebruik van lithium zal bovendien halverwege deze eeuw met 40 procent gestegen zijn, en het gebruik van zeldzame aardmetalen is dan vervijfvoudigd. Dat probleem breng ik momenteel in kaart, want het is belangrijk om dit zichtbaar te maken.’ En, voegt hij toe, de gevolgen voor het milieu van recycling van deze grondstoffen is veel lager dan het winnen ervan uit de bodem. ‘Dus de grote vraag is: hoe kunnen we recycling promoten?’

Grondstoffen winnen uit batterij-afval

Gezien de negatieve impact van het winnen van nieuwe materialen richt adjunct-hoogleraar Xiaohua Li zich op het recyclen van oude batterijen. ‘Door het snel groeiende gebruik van lithiumbatterijen ontstaan er in de nabije toekomst miljoenen tonnen batterijafval’, legt ze uit. Maar het winnen van materialen uit dit afval is nog niet per se duurzaam. De huidige technieken voor chemische recycling zijn gebaseerd op het smelten of oplossen van batterijen. Voor het smelten is veel energie nodig, wat dit minder aantrekkelijk maakt. En bij het oplossen van batterijen in sterk zuur ontstaat gevaarlijk chemisch afval. Li: ‘Recycling moet economisch haalbaar zijn, maar ook veilig zijn voor het milieu.’

Het recyclen van nikkel-mangaan-kobalt batterijen is financieel haalbaar, maar alleen voor mangaan en kobalt. Recyclen van lithium-ijzerfosfaat batterijen is nog een uitdaging, omdat de lithiumconcentratie te laag is om het economisch haalbaar te maken. Zolang lithium uit gerecyclede batterijen duurder is dan nieuw gewonnen lithium zullen recyclingbedrijven het links laten liggen. Om dat te veranderen werkt Li aan nieuwe processen, die efficiënter zijn en minder afval produceren. Samen met de Groningse start-up Ioniqs onderzoekt zij manieren om de metalen uit batterijen te winnen met behulp van elektrochemische scheidingsmethode. Dit test zij momenteel in het lab, en het lijkt te werken.

Praktische problemen voor recycling

Er zijn nog wel wat complicaties die recycling lastiger maken. ‘Het grootste aanbod van batterijen komt uit elektrische auto’s’, zegt Li. De batterijpakketten van die auto’s zijn ontworpen om ze gemakkelijk in een autoframe te plaatsen, maar ze zijn heel lastig te demonteren. Sun voegt daar aan toe dat benzineauto’s helemaal ontworpen zijn door de grote automerken, terwijl het ontwerp van elektrische auto’s door drie partijen is bepaald: de bedrijven die de kritieke materialen leveren (zoals lithium, nikkel en kobalt), de bedrijven die de batterijpakketten maken en ten slotte de autofabrikant. De belangrijkste doelstelling van de partijen in deze complexe industriële keten is het beperken van de kosten, en niet het gemak van recyclen. Sun: ‘Dit is een voorbeeld van hoe de vrije markt recycling veel lastiger maakt.’

‘En in ieder type auto,’ voegt Li hier aan toe, ‘kan de batterij bestaan uit modules van een verschillende vorm en chemische samenstelling, waardoor het lastig is om een geautomatiseerd proces te ontwikkelen om ze te recyclen uit een afvalstroom waarin verschillende typen batterijen zitten.’ Nieuwe regels kunnen dit iets eenvoudiger maken: inmiddels moet op elke batterij staan wat voor type het is. Maar zelfs het transport van oude batterijen naar een recyclingfabriek is al problematisch. Beschadigde batterijen van auto’s kunnen in brand vliegen, waarna ze nauwelijks nog te blussen zijn. Daarom zijn er allerlei regels rond het transport van oude auto-batterijen. Sun: ‘In Europa zijn die regels heel streng, en de totale recyclingkosten liggen er hoger. Daarom is het percentage batterijen dat wordt gerecycled veel lager dan in China.’ Het onderzoek van Li moet daar verandering in brengen. ‘We hebben daar allerlei ideeën over, nu moeten we die ook realiseren.’

De andere artikelen in deze serie vind je in het venster hieronder.