Recycling-potentieel LFP-batterijen blijft grotendeels ongebruikt
Onderzoeksproject ADDAPT.BATT zet in op mixed streams
Een LFP-batterij is een lithiumionbatterij waarbij lithiumijzerfosfaat (LiFePO4) wordt gebruikt als kathodemateriaal. Deze bevat geen dure metalen, is thermisch stabieler dan sommige andere lithiumbatterijen en kent een lange levensduur. Het gebruik ervan in elektrische auto's stijgt snel, maar de recycling heeft moeite hiermee gelijke tred te houden. Het ADDAPT.BATT-onderzoeksproject is er daarom op gericht om LFP-chemie en elektrochemische technieken in te zetten voor de selectieve terugwinning van zuivere metalen uit gemengd batterijafval.
Uitdagingen
LFP-batterijen zijn Li-ionbatterijen zonder dure metalen als kobalt of nikkel, zoals NMC-batterijen (LiNiMnCoO2) die wel bevatten. Door hun verdere voordelen is het gebruik hiervan in elektrische auto's momenteel aan een sterke groei onderhevig. Recyclingbedrijven richten zich echter vooral op economisch waardevolle materialen als kobalt en nikkel, die vooral voorkomen in het kathodemateriaal van andere typen Li-ionbatterijen. Dit zorgt voor uitdagingen in de circulaire economie van deze sector.
Doelstellingen
Het recycling-potentieel van de LFP-batterijen blijft vooralsnog grotendeels ongebruikt. Shoshan Abrahami, universitair docent en leider van het ADAPT.BATT-project beaamt dit: "We zijn al langer bezig met onderzoek naar batterijrecycling, en hebben naar aanleiding daarvan het gebrek aan LFP-recycling aangemerkt als een noodzakelijk verbeterpunt."
Met haar team, bestaande uit onderzoekers van de Technische Universiteit Delft (TUD, haar werkgever), de Universiteit Utrecht (UU), de Rijksuniversiteit Groningen (RuG) en TNO, wil ze aan die verbetering bijdragen door zich te richten op:
- het terugwinnen van hoogzuivere materialen uit gemengde batterijafvalstromen, zodat deze opnieuw in batterijen kunnen worden gebruikt;
- het vergroten van de circulariteit van de batterijwaardeketen door grondstoffen niet verloren te laten gaan, maar opnieuw in te zetten;
- het leveren van een wezenlijke bijdrage aan de uitvoering van Europese batterijregels en een circulaire batterijindustrie.
"We richten ons op de ontwikkeling van methoden om elementen als lithium, ijzer, fosfor, aluminium en koper selectiever te scheiden uit oplossingen die ontstaan tijdens het gelijktijdig uitlogen van gemengde afvalstromen", vertelt de projectleider.
Mixed streams
Abrahami licht het 'aanvalsplan' nader toe: "Om deze doelstellingen te realiseren, richt het ADAPT.BATT-project zich op de gelijktijdige recycling van LFP- en NMC-chemieën; we spreken in dat verband van mixed streams. De eerste stap is ervoor te zorgen dat LFP-batterijen daadwerkelijk worden gerecycleerd. Dat doen we door ze in te zetten bij de recycling van NMC- en andere Li-ionbatterijen. Tijdens dit proces wordt het ijzer uit LFP gebruikt om waardevolle overgangsmetalen, zoals kobalt, nikkel en mangaan, in de kathoden van andere batterijchemieën te reduceren. Daarmee vervangt het een extern reductiemiddel, waardoor de milieubelasting van het proces afneemt én tegelijkertijd recycling van LFP mogelijk wordt."
Deze procesaanpak is ontwikkeld aan de TU Delft en is in een eerste versie al wetenschappelijk gepubliceerd. Eerdere bevindingen toonden aan dat dit het chemicaliënverbruik aanzienlijk kan verminderen, zonder verlies van uitloogeffectiviteit.
Wat dit nieuwe onderzoeksproject onderscheidt, is de ontwikkeling van een geïntegreerde combinatie van elektrochemische methoden die het mogelijk maakt om componenten gericht en efficiënt te scheiden uit een complex mengsel. Door de focus te leggen op selectieve scheiding en het direct regenereren van reagentia, kan het proces verder worden verduurzaamd en circulair worden gemaakt.
LFP-chemie
Deze term verwijst naar de chemische samenstelling en elektrochemische eigenschappen van lithiumijzerfosfaat (LiFePO4), in gebruik als kathodemateriaal voor Li-ionbatterijen.
Bij de recycling van LFP-poeder krijgt de hydrometallurgische methode vooralsnog de voorkeur. Hierbij worden de metalen uit de black mass (zie kader) eerst opgelost in een geschikt oplosmiddel, bijvoorbeeld een zuur. Vervolgens worden metalen als lithium, ijzer, fosfaat alsook koper en aluminium – beide afkomstig van de dunne metaalfolies waarop de elektrodematerialen zijn aangebracht (collectorfolies) – chemisch gescheiden. Eenmaal teruggewonnen dienen ze als grondstof voor nieuwe toepassingen.
Abrahami plaatst daarbij nog een kanttekening: "Wij maken in dit project gebruik van black mass die door industriële partners wordt aangeleverd. Dit verhoogt de toepasbaarheid van ons onderzoek, aangezien de materialen representatief zijn voor realistische industriële stromen die doorgaans heterogeen zijn en verschillende contaminanten bevatten."
Een techniek in opkomst is directe recycling van LFP-poeder, met als belangrijk voordeel dat de oorspronkelijke chemische structuur behouden blijft. De toepassing ervan is momenteel onderwerp van onderzoek.
Black mass
Dit LFP-poeder kan op verschillende manieren worden verkregen. Op industriële schaal gebeurt dit doorgaans door batterijen te verkleinen en te vermalen (via shredding). Dit proces kan worden gecombineerd met een thermische behandeling, meestal pyrolyse, en met scheidingstechnieken. Deze maken gebruik van verschillen in korrelgrootte, magnetische eigenschappen of elektrische geleidbaarheid om de verschillende fracties van elkaar te scheiden. De fijne fractie die hierbij ontstaat, bevat voornamelijk de actieve materialen van zowel de kathode als de anode, plus enige contaminaties afkomstig van andere batterijcomponenten.
Elektrochemische technieken
Deze maken gebruik van elektrische stroom en de gecontroleerde verplaatsing van ionen binnen een elektrolyt om waardevolle metalen – in dit geval lithium, ijzer, fosfor, aluminium en koper − gericht op te lossen, van elkaar te scheiden of opnieuw neer te slaan. Door nauwkeurig te sturen met elektrochemische parameters en procescondities kan een efficiënte en selectieve terugwinning of zuivering van specifieke metalen worden bereikt.
"Doorgaans gebeurt dit met een hogere selectiviteit en lagere milieu-impact dan bij conventionele chemische processen. Technieken die we voor de hoogzuivere terugwinning van de metalen en andere componenten van LFP-batterijen gaan gebruiken, zijn onder meer elektrowinning, elektrochemische redox- en precipitatiereacties, en het gebruik van ion-selectieve elektroden/membraantechnologie. Al deze technieken worden gekenmerkt door een hoge mate van selectiviteit en procescontrole, en juist dat maakt ze geschikt voor de hoogzuivere terugwinning van metalen en andere componenten uit LFP-batterijen."
Verwachtingen
Het project van Abrahami is in 2026 gestart en heeft een looptijd van vier jaar. "Aangezien we voortbouwen op bestaande kennis is de verwachting dat we al vroegtijdig met resultaten naar buiten zullen komen. Daartegenover staat dat we dit onderzoeksproject op labschaal uitvoeren, waardoor het langer zal duren voordat er daadwerkelijk industriële toepassingen voorhanden zijn. Door de inbreng en inzet van een groot aantal industriële partners proberen we die vertaalslag zo veel mogelijk te versnellen. Als ons dat lukt, dan dragen we concreet bij aan de circulariteit van de batterijwaardeketen", aldus de projectleider.