Batterijen zijn er in soorten en maten. De bekendste zijn lithium-ion batterijen (LIB) die in elektrische voertuigen (EV’s) zitten. Het vloeibare elektrolyt, een mengsel van lithiumzouten en oplosmiddelen, maakt het ionentransport tussen de plus- en minpool mogelijk en zorgt voor een hoge energiedichtheid, lange levensduur (vijf tot tien jaar) en snelle oplaadtijden. Keerzijde van de goed geleidende vloeistof is de hoge reactiviteit. Na verloop van tijd kan deze gaan lekken en zelfs in brand vliegen. Met een batterijmanagementsysteem (BMS) wordt dat voorkomen.

Om de stabiliteit van de cellen te verhogen, passen fabrikanten onder meer nikkel (N), mangaan (M), aluminium (A) en kobalt (C) toe. De batterij krijgt vaak de naam van de kathode (de minpool).
LFP (lithium-ijzer-fosfaat) batterijen zijn in opkomst omdat ze, anders dan NCA- en NMC-batterijen, geen kobalt bevatten, amper in brand vliegen en vaak eenvoudiger te recyclen zijn. Aan de anode (de pluspool) gebruiken fabrikanten doorgaans grafiet gecombineerd met silicium. Dat is goedkoop en ruim voorradig.

Recycling cruciaal

EV’s zijn letterlijk en figuurlijk de motor achter batterijtechnologie, vooral van LIB. Dat is ook niet zo vreemd: jaarlijks groeit het aantal EV’s met zo’n 30%. Nu al zijn EV’s verantwoordelijk voor 60% van de wereldwijde vraag naar lithium, 30% van de vraag naar kobalt en 10% van die naar nikkel. Lithium komt voor ruim 70% uit de hoge Andes (Chili, Bolivia, Argentinië), kobalt voor bijna hetzelfde percentage uit Kongo. Beide soorten winningen - waarvan de grondstoffen naar China gaan - zijn met grote arbeids- en milieuproblemen omgeven (kinderarbeid in Kongo en uitputting van watervoorraden in Latijns-Amerika). Rond 2030 kan winning de vraag naar zulke CRMs niet langer bijbenen. Recycling wordt dus cruciaal. 

Hoger gehalte

In tegenstelling tot een benzineauto wordt het ontwerp van een elektrische auto door drie partijen bepaald: bedrijven die de CRMs leveren, bedrijven die zich toeleggen op het accupakket en ten slotte de autofabrikant. Wat terugwinning ingewikkeld maakt, is dat batterijen niet zijn ontworpen op recycling maar op prestaties, veiligheid en levensduur. Niet alleen de grootte en vorm van batterijmodules lopen uiteen, ook de chemische samenstelling. Op dit moment is recycling in Europa, qua infrastructuur, inzameling en transport, daar niet op ingericht.

Toch bevatten batterijen een veel hoger aandeel aan CRMs dan wat er wordt gedolven: in een doorsnee EV-batterij (300 tot 600 kg) zit tussen de 5 tot 60 kg aan lithium, terwijl pekelwater op de hoge zoutvlakten van de Andes (de lithium-driehoek) slechts 0,15% aan lithium bevat. Hetzelfde geldt voor vrijwel alle andere CRMs. Dat maakt het interessant om die CRMs, als een tweede leven voor de batterij niet langer mogelijk is, terug te winnen. Recyclers concentreren zich daarbij vaak op de kathode vanwege het hoge gehalte aan CRMs. 

Lees ook:

Hoe Europa probeert grip te krijgen op de ketens van kritische grondstoffen

Pyrometallurgie

Voor recycling staan drie routes open: pyrometallurgie, hydrometallurgie en directe recycling. Elke route heeft zijn economische en (milieu)technische uitdagingen. De oudste vorm van recycling is
pyrometallurgie. Dit is al ontwikkeld in de oudheid en later verfijnd door mijnbouwbedrijven die met
behulp van fossiele brandstoffen onder hoge temperaturen (vaak rond de 1400 °C) waardevolle metalen uit erts en rots winnen.

Bij pyrorecycling vindt een soortgelijk proces plaats. Het gaat ook met veel energie gepaard, maar met een significant lagere CO₂-voetafdruk. Deze vorm van recycling is effectief voor aluminium, kobalt en nikkel. Maar lithium heeft een smeltpunt van 180 °C, vermengt zich tijdens het proces met andere elementen en belandt in de slak, een glasachtige stof waaruit amper iets te extraheren valt. Bovendien gaan de organische bindmiddelen, het grafiet en de elektrolyt in rook op. Het percentage CRMs dat wordt teruggewonnen, ligt tussen de 40 en 60%.

Hydrometallurgie

Hydrometallurgie wordt daarom steeds meer toegepast. Na voorbehandeling komt het batterijpoeder
(of‘ black mass’) in een zuur bad te liggen, bijvoorbeeld in zwavelzuur of zoutzuur. Tijdens uitloging komen metalen als lithium, kobalt, nikkel en mangaan vrij. De tweede stap is solvent extractie (SX) in combinatie met elektrowinning (EW) om de metalen van elkaar te scheiden (ook wel SX/EW genoemd). In de laatste stap worden reagentia toegevoegd en worden de zuurgraad en/of de temperatuur veranderd. Op die manier slaan de metalen als vaste stof neer (precipitatie).

Hoewel hydrorecycling aanzienlijk hogere scheidingspercentages dan pyrorecycling kent (tot meer dan 90%), kleven er ook de nodige haken en ogen aan. Zo vraagt elektrowinning zeer veel energie, vergelijkbaar met die van pyrometallurgie. Vanuit milieuperspectief hoeft dat geen probleem te zijn, zolang de elektriciteit dan maar uit duurzame bronnen komt.

Anders ligt het met de gebruikte chemicaliën. De processen luisteren nauw. Zowel de stoffen voor het uitlogen als die voor de SX/EW-stap kunnen in potentie toxisch zijn, evenals de bijproducten. Denk aan giftige gassen of zware metalen. Zeker is wel dat hydrorecycling vergezeld gaat door afvalwater dat moet worden behandeld. Recyclers zoeken dan ook constant naar duurzame oplosmiddelen die met minder watergebruik in het proces zijn in te passen. Op labschaal onderzoekt men bijvoorbeeld pure elektrochemie met water en zelfs de inzet van bacteriën of schimmels (of bioleaching) om CRMs uit de ‘black mass’ te winnen.

Directe recycling

De minst milieubelastende vorm van batterijrecycling is directe recycling van de kathode. Door de structuren te behouden en bindmiddelen te verwijderen, wordt het mogelijk om opnieuw lithium aan de kathode toe te voegen en de batterij een nieuw leven te geven. Het proces verbruikt veel minder energie dan hydrometallurgie. Maar het kan vooralsnog alleen worden toegepast bij één soort batterij (LFP of NMC) en vereist dus een zeer zuivere ‘black mass’. Mede als gevolg daarvan is deze innovatie nog niet verder dan pilotschaal gekomen.

Nabije toekomst

Nederland heeft noch een automobielsector voor EV’s, noch industriële verwerkers van eigen grond (SK Tes is Koreaans, Novocycle Turks en Umicore Belgisch). Wel zijn start-ups als ‘Back to Battery’ en ‘Liminal’ van de WMC Group actief. De laatste hoopt in 2026 een geschikte locatie voor de verwerking van 3.000 ton batterijen te vinden. Deze en andere bedrijven participeren in het CRM-Lion-programma onder regie van TNO voor terugwinning uit batterijen. Ons land, goed in materiaalkunde en chemie, moet ook Europese samenwerkingen aangaan. Lukt het door duurzaam te innoveren de achterstand met China in te lopen?