Sähköauton akkujen kierrätys

1. Sähköautojen akkujen
arvometallit ja kiertotalous
Antti Porvali
Hydrometallurgian ja
korroosion tutkimusryhmä
29.1.2019

2. ESITELMÄN RAKENNE
1. Sähköautojen akkujen rakenne
1. Sähköautojen akkujen raaka-aineet
1. Akkuraaka-aineiden kierto
1. Metallurginen kierrätys
2

3. Sähköautojen akut, raaka-aineet
ja niiden kysyntä ja tarjonta

4. Alkuaineet sähköautojen akuissa
Elektrodi-
materiaalit
Elektrolyytti
Virran-
kerääjät
Elektrodi ja
elektrolyytti
4

5. Alkuaineet sähköautojen akuissa
Elektrodi-
materiaalit
Elektrolyytti
Virran-
kerääjät
Elektrodi ja
elektrolyytti
Li Ni Co Mn Al Cu Fe Graf. Muovit F
1-2% 14.8% 8.45% 5.86% 22.7% 16.6% 8.8% ~10-
20%
3.3% 4.99%
Taulukko 1: Esimerkki massajakaumasta NMC-kennossa (p-%) [7]
EV-elektrodimateriaaleja:
• Li-NMC (nikkeli-mangaani-koboltti, NMC)
• Li-NCA (nikkeli-koboltti-alumiini, NCA)
• LiFePO4
5

6. Akun rakenne
Lähde: [3]
EV-elektrodimateriaaleja:
• Li-NMC
• Li-NCA
• LiFePO4 (Kiina)
Elektrolyytti:
• Etyleeni-
/metyleenikarbonaatti
• Li-suoloja, esim. LiPF6
Virrankerääjät:
• Alumiini- ja
kuparifoliot
Separaattori:
• Li-ionin läpäisevä,
sähköä johtamaton
membraani
6

7. Akun rakenne
EV-elektrodimateriaaleja:
• Li-NMC
• Li-NCA
• LiFePO4 (Kiina)
Elektrolyytti:
• Etyleeni-
/metyleenikarbonaatti
• Li-suoloja, esim. LiPF6
Virrankerääjät:
• Alumiini- ja
kuparifoliot
Separaattori:
• Li-ionin läpäisevä,
sähköä johtamaton
membraani
7

8. Li-ion akkujen tuotanto
2010 2015 2020 2025 2030
EV+HEV+
PHEV
0 13 75 135 240
Muu
maantiekuljetus
0 0 1 2 5
LIB yhteensä 25 45 125 220 390
Taulukko 2: Li-ion akkumarkkinat, vuosituotanto (GWh/y) [11]
Laskennallinen esimerkki, Li-NMC-akku: Hinta aktiivimateriaaleille, elektrolyytille ja
erottimelle
• NMC, NCA hintaluokka: 70 – 80 $/kWh [8]
Tesla Model S 100D = 100 kWh akku [11]
• Akku muodostaa jo näin laskettuna 7000 – 8000 $ hinnasta
8

9. Li-ion akkujen tuotanto
2010 2015 2020 2025 2030
EV+HEV+
PHEV
0 13 75 135 240
Muu
maantiekuljetus
0 0 1 2 5
LIB yhteensä 25 45 125 220 390
Taulukko 2: Li-ion akkumarkkinat, vuosituotanto (GWh/y)
Riittävätkö raaka-ainevarannot?
9

10. Li-ion akkujen raaka-aineet
Taulukko 3: Li-ion akkujen raaka-aineiden tuotanto [11]
Alkuaine Reservit (econ) 2016 Tuotanto 2016
Tuotanto/Reservit
Akkujen
markkinaosuus
Al 11 000 Mt 57.6 Mt/y 190 y <1%
Mn 690 Mt 16 Mt/y 43 y <1%
C 250 Mt 1.2 Mt/y 208 y ~3%
Ni 78 Mt 2.25 Mt/y 34 y 1-2%
Cu 720 Mt 19.4 Mt/y 37 y <1%
Co 7 Mt 0.123 Mt/y 56 y 30%
Li 14 Mt 0.0378 Mt/y 370 y 39%
Hinnat (1/2019)
*Koboltti = 35
$/kg
*Nikkeli = 11.63
$/kg
*Kupari = 5.92
$/kg
*Mangaani = ~2
$/kg
*Alumiini = 1.87
$/kg
**Li2CO3 = 13.5
$/kg
**Grafiitti = 0.72
$/kg
Lähteet
*London Metal Exchange (LME), 3 kk futuurit
** Metalbulletin[1,2]
10

11. Li-ion akkujen raaka-aineet
• Globaali tuotanto vs. Globaalit varannot
• Millä aikataululla tuotantoa voidaan kasvattaa?
• Riittävätkö raaka-ainevarannot tulevaisuudessa?
• Onko maailman sähköistäminen nykyteknologialla mahdollista?
• Raaka-aineita ei ole varaa hukata
Alkuaine R2 Tuotantohuippu Tuotannon
pullonkaula
Ni 0.95 2033 2027-2029
Co 0.90 2142 2030-(>2050)
Mn 0.84 2030 2038-2050
Li 0.92 2037 2042-2045
Taulukko 4: [13] Yksi malli raaka-aineiden riittävyydestä
11

12. Globaalit vs. lokaalit raaka-
ainevarannot
Globaalisti tilanne on verrattaen hyvä, mutta EU-tasolla
saatavuuden riskejä lisää esiintymien sekä jalostuskapasiteetin
keskittyminen yksittäisiin maihin [4]
EU täyttää koboltintarpeen tuomalla 32% käytetystä koboltista [4]
Käytetystä luonnongrafiitista 99% tuodaan EU:n ulkopuolelta [4]
[4]: European Comission, Critical Raw Materials for the EU, COM(2017) 490 final
12

13. Akkuraaka-aineiden kierto –
Kierrätys Suomessa ja EU:ssa

14. Akkujen kierrätys
Akku- ja jätedirektiivit
• 45% kaikista akuista ja paristoista
on kerättävä vuodesta 2016 lähtien
Markkinoille
tuodut tuotteet
Kerätty jäte
European Union
(current
composition)
208 000 55 000
Belgium 4 061 2 525
Bulgaria 520 13
Czechia 2 638 409
Denmark 3 613 1 405
Germany 37 298 16 555
Ireland 2 017 212
Spain 12 090 1 919
France 29 921 10 442
Italy 27 843 4 670
Cyprus 180 6
Latvia 289 223
Lithuania 734 193
Luxembourg 214 111
Hungary 2 087 408
Netherlands 7 672 3 122
Austria 3 272 1 705
Taulukko 5: [9] Eurostat
(Tonneja kierrätetty) – Muut
paristot ja akut kuin NiCd ja Pb 14

15. Akkujen kierrätys
Akku- ja jätedirektiivit
• 50 p-% akkujen materiaaleista on
kierrätettävä uusiksi tuotteiksi
• Direktiivi ei ota kantaa mitä
materiaaleja on kierrätettävä
• Mahdollistaa prosessit, jossa entisiä
korkean jalostusarvon tuotteita
päätyy jätteeksi
Taulukko 6: [9] Eurostat
(Tonneja kierrätetty) – Muut
paristot ja akut kuin NiCd ja Pb
GEO/TIME 2014 2015 2016 2017
Belgium 890 1 056 1 556 1 505
Bulgaria 132 170 180 230
Czechia 87 223 39 86
Denmark 779 890 850 1 712
Germany 12 744 13 261 11 402 13 401
Estonia 62 23 23 32
Ireland 322 6 585 4 380 6 006
Spain : : 7 066 5 579
France 5 322 7 780 9 171 :
Croatia 31 57 27 56
Italy 1 150 1 098 1 350 :
Cyprus 10 29 30 :
Latvia 53 47 51 53
Lithuania : : 282 229
Luxembourg 74 65 75 71
Hungary 321 341 639 762
Malta 0 0 0 :
Austria 786 1 160 751 1 806
Poland 1 665 3 624 3 539 :15

16. Akkukierrätyksen haasteet
Logistiikka:
• Vaarallista jätettä
• Erityisesti vaurioituneet akut suuri riski
• Jätedirektiivi asettaa rajoitteita kuljetukselle ja
käsittelylle
Kaupallisuus kierrätyksessä:
• EV-applikaatioissa koboltin määrää pyritään
rajoittamaan
• Materiaalivirrat verrattaen pieniä kansallisesti
• Sopivat huonosti kierrätysraaka-aineelle dedikoituihin isoihin
metallurgisiin prosesseihin
Akut jäävät helposti kuluttajalle pöytälaatikkoon varastoon
16

17. Akkukierrätyksen metallurgiset
haasteet
Mindset:
• Jäte on vaarallista ja pakattuna pieneen tilaan
• “Design for Recyclability” puuttuu
“Urbaanin mineraalin” laatu vaikeuttaa prosessointia:
• Muovi, membraanit
• Volatiilit orgaaniset yhdisteet (VOC)
• Kemiallisesti raaka-ainevirrat eivät ole tasalaatuisia
• Jätevirrat ovat pieniä primääriprosesseihin verrattuna
Mikä on kierrätysprosessin tavoite? Säilyykö jalostusaste?
17

18. Akkujen metallurginen
prosessointi
1. Raaka-aine pitää vapauttaa (liberate):
• Mekaaninen prosessointi: lajittelu, murskaus, seulonta,
tiheyserotus, magneettinen erotus, …
• Pyrometallurgia: ‘Poltetaan’ ja sulatetaan sellaisenaan, syntyvien
faasien jatkokäsittely mekaanisesti ja hydrometallurgisesti
• Aktiivimateriaalit pyritään käsittelemään kemiallisesti
18

19. Akkujen metallurginen
prosessointi - Hydrometallurgia
19

20. Akkujen metallurginen
prosessointi
• Nykyään Li menetetään – talteenotto karbonaattina on
energiaintensiivistä
• Kiteytys on ainoa keino, minkä seurauksena nestettä on
haihdutettava liuoksen Li-karbonaattipitoisuuden saturoimiseksi
• Liuos on ensin puhdistettava muista metalli-ioneista
• Pyrometallurgisissa prosesseissa Li päätyy kuonafaasiin esim.
Cu konvertointia vastaavissa olosuhteissa [10]
• Nykyiset teolliset kierrätysprosessit painottavat taloudellisesti
arvokkaiden metallien talteenottoa
Li Co Ni Mn Cu Al
<1% >50% >50% >50% >50% >50%
Taulukko 7: EOL metallien kierrätysaste 2011 (ei-applikaatiospesifinen) [11]
20

21. Suomen erityispiirteet
Suomessa on laaja ja vahva metallurginen osaaminen,
esimerkkeinä:
• Nikkeli- ja kobolttisulfaatin sekä anodien valmisus (Norilsk
Nickel Harjavalta)
• Kuparisulatto ja elektrolyyttinen puhdistus (Boliden Harjavalta)
• Koboltinjalostus (Freeport Cobalt, Kokkola)
• Nikkelikaivos (Terrafame)
• Tulevaisuudessa myös laitokset NiSO4 ja CoSO4 tuotannolle
• Mondo Minerals (Ni, Co bioliuotus)
• Litiumkaivos ja –jalostamoprojekti (Keliber)
21

22. Suomen erityispiirteet
Suomessa [5]:
• AkkuSer prosessoi kerättyjä käytettyjä Li-ion akkuja
• Massavolyymi on n. 1000 tonnia vuodessa
• Erottelu manuaalisesti, jota seuraa mekaaninen
prosessointi
• Musta massa myydään tuotteena jalostukseen
Maiden täytyy pyrkiä hyödyntämään omia
erityispiirteitänsä kierrätyksessä
22

23. Lähteet
[1] https://www.metalbulletin.com/Article/3850557/Search-results/2018-REVIEW-10-things-that-
defined-the-battery-raw-materials-markets-this-year.html, haettu 24.1.2019
[2] https://www.lme.com/Market-Data/Reports-and-data , haettu 24.1.2019
[3] By RudolfSimon - Own work, CC BY-SA 3.0,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8531033 , haettu 24.1.2019
[4] https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/PDF/?uri=CELEX:52017DC0490&from=EN, haettu
24.1.2019
[5] Lithium Process Chemistry, 2015, Chagnes & Swiatowska, Elsevier Science, ISBN: 0128014172
23

24. Lähteet
[7] Winslow et al., Resources, Conservation and Recycling (2018), 129, 263 – 277.
[8] Schmuch et al., Nature Energy (2018), 3, 267 – 278.
[9] https://ec.europa.eu/eurostat/statistics-explained/index.php?title=Waste_statistics_-
_recycling_of_batteries_and_accumulators&stable=0#Recycling_efficiency_for_other_batteries,
haettu 25.1.2019
[10] Tirronen et al., Journal of Cleaner Production (2017), 168, 399 – 409.
[11] UNEP (2013) Metal Recycling: Opportunities, Limits, Infrastructure, A Report of the Working
Group on the Global Metal Flows to the International Resource Panel. Reuter, M. A.; Hudson, C.; van
Schaik, A.; Heiskanen, K.; Meskers, C.; Hagelüken, C.
[12] Zubi et al., Renewable and Sustainable Energy Reviews 89 (2018), 292 – 308
[13] Valero et al., Renewable and Sustainable Energy Reviews 93 (2018) 178 - 200
24