Ontwikkeling maakt recycling van breed scala aan batterijen mogelijk

Een nieuw materiaal maakt het recyclen van een brede reeks batterijen mogelijk en economisch aantrekkelijk. Het gaat om nieuw bindmiddel dat de huidige bindmaterialen die in veel batterijen aanwezig zijn kan vervangen. Kenmerkend is de relatieve eenvoudig waarmee componenten weer van elkaar kunnen worden gescheiden, zodat zij recyclebaar zijn.

Een nieuw materiaal maakt het recyclen van een brede reeks batterijen waaronder Li-ion en alkaline batterijen mogelijk en economisch aantrekkelijk. Het gaat om nieuw bindmiddel dat de huidige bindmiddelen die in veel batterijen aanwezig zijn kan vervangen. Kenmerkend is de relatieve eenvoud waarmee componenten weer van elkaar kunnen worden gescheiden, zodat zij recyclebaar zijn.

Het materiaal – dat Quick-Release Binder heet – is ontwikkeld door onderzoekers van het Amerikaanse Berkeley Lab. Batterijen zijn niet meer weg te denken uit onze maatschappij. We gebruiken batterijen in zeer uiteenlopende apparaten en toepassingen. Denk daarbij aan smartphones en tablets, maar ook aan sensoren, elektrische fietsen en elektrische auto’s.

Grondstoffen zijn schaars

De rol van batterijen neemt naar verwachting door de elektrificering van de wereld alleen maar verder toe. Tegelijkertijd zijn grondstoffen die nodig zijn voor de productie van batterijen schaars. Het risico bestaat dan ook dat we al in 2050 onvoldoende grondstoffen beschikbaar hebben voor accuproductie.

Het gaat daarbij specifiek om materialen als lithium, nikkel, kobalt en grafiet. De vraag naar deze materialen is zeer groot door de omvangrijke vraag naar batterijen. Lithium, nikkel, kobalt en grafiet zijn daardoor steeds schaarser, wat de prijs opdrijft. Ook wijzen de onderzoekers op het ontbreken van adequaat toezicht op de milieu-impact en arbeidsomstandigheden bij het delven van dergelijke stoffen.

‘Recyclen van batterijen is een vereiste’

“We komen op het punt dat het recyclen van batterijen een vereiste is”, legt projectleider Gao Liu, senior wetenschapper in Berkeley Lab’s Energy Technologies Area en lid van het Berkely Lab Energy Storage Center. “Indien we niet stoppen met het verbranden en in het afval gooien ervan, komen we in de komende tien jaar zonder grondstoffen te zitten. Het is anders onmogelijk om bij te blijven met het aantal batterijen waarnaar de markt vraagt. Er is simpelweg niet genoeg kobalt en niet genoeg nikkel – we moeten recyclen.”

De onderzoekers spelen hierop in met de Quick-Release Binder. Het gaat om een bindmiddel dat is vervaardigd uit twee commercieel beschikbare polymeren: Polyacrylzuur (PAA) and polyethyleenimine (PEI). De twee materialen kunnen met elkaar worden samengevoegd dankzij de aanwezigheid van positief geladen stikstofatomen in PEI en negatief geladen zuurstofatomen in PAA.

Eenvoudig verwijderbaar

Belangrijk aan het bindmiddel is de eenvoud waarmee het verwijderd kan worden. Indien het bindmiddel in alkalisch water met natriumhydroxide wordt geplaatst, doordringen de sodiumionen de binding en breken de twee polymeren van elkaar los. De gescheiden polymeren lossen hierbij op in de vloeistof, waardoor de hierin vastzittende componenten vrijkomen.

De onderzoekers melden dat het bindmateriaal geschikt is voor het vervaardigen van zowel anodes als kathodes. Het materiaal kost ongeveer een tiende van de prijs van de twee meest gebruikte commerciële bindmiddelen.

Geschikt voor batterijen van iedere omvang

Het materiaal is vooralsnog alleen in een lab getest. “We hebben gedemonstreerd dat het volledige proces zeer eenvoudig is op laboratoriumschaal en we zien geen reden waarom dit niet net zo goed zou werken op industriële schaal, legt postdoctoraal onderzoeker Chen Fang uit. Ook verwacht het onderzoeksteam dat Quick-Release Binder geschikt is voor batterijen van iedere omvang, variërend van kleine batterijen in smartphones tot grootschalige batterijen in energieopslagsystemen die onderdeel uitmaken van het elektriciteitsnet.

De onderzoekers werken aan de commercialisering van hun ontwikkeling. Hiervoor werken zij samen met Steven Sloop, oprichter van OnTo Technologies. Dit bedrijf is gespecialiseerd in batterijtechnologie. Samen met Sloop test het team het product en wil deze uiteindelijk op de markt brengen. Het team wil onder meer met behulp van het bindmiddel prototype Li-ion batterijen produceren. Hiermee willen zij de prestaties in deze toepassing analyseren en de mogelijkheden van de Quick-Release Binder demonstreren.

‘Paradigmaverschuiving in batterijontwerp’

Sloop ziet veel potentie in de ontwikkeling van Berkeley Lab. Hij spreekt van een ‘paradigmaverschuiving in batterijontwerp’. “Het bindmiddel heeft als geweldige kenmerk dat het kan worden ‘losgeritst’ met goedkope, milieuvriendelijke verwerking, wat ons allen voordeel oplevert door het verbeteren van de economische en milieutechnische duurzaamheid van geavanceerde batterijsystemen”, aldus Sloop. De oprichter van OnTo Technologies wijst erop dat het bindmiddel geen poly- en perfluoralkylstoffen (PFAS) bevat. Sloop verwijst hiermee naar de toenemende weerstand tegen het gebruik van PFAS. Hij verwacht dat regelgevers op korte termijn met maatregelen tegen PFAS komen.

Op termijn hopen de onderzoekers en Sloop de Quick-Release Binder-technologie te kunnen licentiëren, zodat het gebruikt kan worden in alle grote merken Li-ion batterijen.

Auteur: Wouter Hoeffnagel
Foto: Marilyn Sargent/Berkeley Lab