Här tar Northvolt tillbaka metallerna från batterier

2021-12-20 06:00  

Det är för dålig lönsamhet i att återvinna litium, har europeiska återvinnare hävdat. Men snart drar Northvolt igång storskalig batteriåtervinning i Skellefteå. Så hur ska det svenska bolaget få snurr på verksamheten?

Från demoanläggningen Northvolt Labs i Västerås är det bara en kort promenad genom skogen till anläggningen där bolaget utvecklar och testar sin återvinningsprocess. I backar utanför ligger uttjänta batterier i olika storlekar och former.

Inne i anläggningen står stora batteripack från elbilar redo för att bli isärplockade. Alldeles intill tronar en vit ABB-robot.

– Eftersom vi kommer från Västerås vill vi ha en helt automatiserad lina, där allting plockas isär elegant, men det kommer att kräva ganska mycket utveckling eftersom det är så många olika pack som kommer in, säger Ragnar Sjödahl, operativ chef på återvinningsverksamheten, som kallas Revolt.

Med den halvautomatiserade lina som finns här kan företaget ändå komma ner till halva tiden för demontering jämfört med en helt manuell lina, enligt Ragnar Sjödahl.

Uttjänta batterier från mindre elektronikprylar som datorer och läsplattor har samlats för sig. Foto: Pia Nordlander

Precis som för Northvolts celltillverkning är det här i Västerås som återvinningen finslipas och testas innan den drar igång i stor skala i Skellefteå, där en återvinningsanläggning börjar byggas nästa år.

– I många av de nya företagen jobbar man med forskning och utveckling och att bygga stora anläggningar samtidigt. Förr i världen var det forska klart, kör piloten, ansök om pengar, bygg en fabrik. Nu händer allt samtidigt. Jag tror att alla är lite frustrerade över det, men det är ändå vår verklighet. Och roligt också, säger Ragnar Sjödahl.

Vad är frustrerande med det?

– Ingenjörer, vi gillar ju gärna att göra klart. Men jag tycker att vi är tillräckligt klara. Och när man ser förbättringar vill man ju få med dem, säger Ragnar Sjödahl.

En ABB-robot hjälper till att demontera batterierna. Foto: Pia Nordlander

Brytning och förädling av material står för en stor del, mellan 30 och 70 procent, av koldioxidavtrycket från litiumjonbatterier. Mer återvinning av batterimaterial skulle därför minska belastningen på både miljö och klimat.

Dessutom riskerar flera av metallerna, bland annat litium, som krävs i cellernas aktiva material att bli svåra att få tag på framöver, eftersom efterfrågan på litiumjonbatterier växer kraftigt.

”Litiumhydroxid är faktiskt ganska dyrt”

Men det är svårt att nå lönsamhet i just återvinning av litium. Det är en orsak till att metallen ännu inte återvinns för ny batteritillverkning i stor skala i Europa. Det visade sig till exempel för några år sedan, när Ny Teknik kontaktade 17 bolag som ägnar sig åt återvinning av batterier i Europa och Nordamerika.

Så frågan är hur Northvolt ska få lönsamhet i sin återvinning, när andra har gått bet?

Enligt Emma Nehrenheim, Northvolts miljöchef, beror det främst på två saker. Dels räknar bolaget med att nå en hög återvinningsgrad av litium, så att endast en liten mängd går till spillo. Dels kan bolaget ta en del genvägar i processen genom att ha återvinning och cellproduktion under samma tak.

Ett exempel är den litiumhydroxid som används vid celltillverkning. Ett färdigt batteri består endast av en liten del, cirka två procent, litium. Men det behövs en hel del litiumhydroxid för att tillverka batteriet.

– Och litiumhydroxid är faktiskt ganska dyrt. Eftersom vi tillverkar för egen produktion byter vi ut den litiumhydroxid vi annars skulle ha köpt mot den litiumhydroxid vi producerar här genom återvinning. Då blir kostnadsbesparingen väldigt stor för Northvolt, säger Emma Nehrenheim.

Materialen som behövs för produktion av litiumjonbatterier. Längst till höger syns återvunna kristaller av nickel, mangan och kobolt som kan användas i nya katoder. Foto: Pia Nordlander

Även med nickel och kobolt kan bolaget ta en del genvägar.

– Vi kan pumpa in metallerna i löst form, vi behöver inte torka upp och kristallisera dem. Det gör att vi kan göra kostnadsbesparingar som andra inte kan göra eftersom de inte är på samma tomt, säger hon.

”Jobbat med stängda looper i processen”

Ett av problemen med att återvinna just litium har varit att processerna drabbas av stora förluster. När materialet värms upp eller bearbetas på olika sätt sker reaktioner som gör att en del litium går till spillo.

– Litium har varit utmanande globalt, där har man rört sig på återvinningsgrader om runt 70 procent och uppåt och många har sagt att det inte är lönsamt, säger Emma Nehrenheim.

70 procents återvinningsgrad, eller yield som det kallas på engelska, betyder att om 100 gram litium tas in i återvinningsprocessen blir det bara 70 gram som kan användas som råvara i ny batteriproduktion.

Northvolt tror sig kunna nå högre.

– Vi vill vara över 80 procent. Vi tror att vi kan komma högre, men vi vill visa det i industriell skala först, säger Emma Nehrenheim.

I tre olika tankar lakas det aktiva elektrodmaterialet i pulverform ur till vätskefas genom att det blandas med vatten, svavelsyra och väteperoxid. Foto: Pia Nordlander

Northvolts återvinningsmetod är hydrometallurgisk, vilket betyder att materialet krossas och behandlas kemiskt i olika vätskor. Ett annat alternativ för batteriåtervinning är pyrometallurgisk, som innebär smältning.

Metoden som Northvolt använder har tagits fram i samarbete med forskare från flera lärosäten. Flera steg i processen är därför egenutvecklade och patenterade.

– Tekniken för att fälla ut järn och aluminium är vår egen. Och själva utvinningen av nickel, mangan och kobolt. Framför allt har vi jobbat med att använda stängda loopar i processen för att inte behöva tillföra så mycket kemikalier, berättar Emma Nehrenheim.

”De valde att satsa på en mer utmanande väg”

Ett exempel är att återcirkulera metaller i hydroxidform i processen. På så sätt kan pH-värdet höjas när metaller ska fällas ut, utan att andra basiska vätskor behöver tillföras.

– Det låter litet men om man tillför mycket natriumhydroxid får man mycket natriumsulfat som biprodukt som kan förorena, så det är en viktig delprocess för oss. Vi har jobbat jättemycket med att minska mängden natriumhydroxid vi behöver tillföra, säger Emma Nehrenheim.

I anläggningen i Västerås finslipas återvinningsmetoden innan den ska börja användas i stor skala i Skellefteå. Här syns processingenjör Robert Jensen i förgrunden. Foto: Pia Nordlander

Martina Petranikova, docent på Chalmers, är en av forskarna som har hjälpt till att utveckla Northvolts återvinningsprocess. Hon tycker att bolaget har gjort imponerande framsteg i Västerås.

– Jag sätter också stort värde i att de valde att satsa på en mer utmanande väg med hydrometallurgi i stället för pyrometallurgi för att verkligen minska koldioxidavtrycket och öka återvinningsgraden, säger hon.

Kritik för ohygieniska toaletter och dålig kontroll

Det är i den stora återvinningsanläggningen Revolt Ett i Skellefteå som Northvolt ska visa att processen verkligen fungerar i stor skala. Men Emma Nehrenheim verkar inte ligga sömnlös för det.

– Nej. Vi har testat de här grejerna fram och tillbaka väldigt mycket. Men det finns en möjlighet att behovet är större. Det är klart att har vi tagit i för lite så är det synd, säger hon.

Precis som den stora batterifabriken ska återvinningsanläggningen byggas i etapper. I det första steget ska råmaterial till batterier med en total energilagringskapacitet om 4 GWh ska komma från återvinningen. Det motsvarar en fjärdedel av batterifabrikens produktion 2022.

– Men vi vill utöka och bygga större, en anläggning som är fem gånger så stor, och ligger i en tillståndsprocess nu, säger Emma Nehrenheim.

Emma Nehrenheim, miljöchef på Northvolt. Foto: Pia Nordlander

Bygget av Revolt Ett drar igång i början av nästa år. Förberedande markarbeten har redan utförts.

Alldeles intill har bygget av batterifabriken Northvolt Ett präglats av ett visst mått av oordning. Bolaget har fått kritik för ohygieniska och få toaletter, för att stängslet runt byggarbetsplatsen har varit trasigt och att kontrollerna av vilka som befinner sig på bygget har varit för dålig. Anders Thor, ansvarig för samhällsrelationer på bolaget, säger att det ska undvikas vid Revolt Ett genom att Skattemyndigheten och Ekobrottsmyndigheten ska involveras tidigt i upphandlingsfasen och genom att Northvolt sätter en gräns för hur många underentreprenörer som tillåts.

”Bensin och diesel går inte att återvinna”

Målet som Emma Nehrenheim strävar efter är att stänga materialloopen för batterier. Den som lämnar in ett uttjänt batteri till Northvolt ska få tillbaka sina metaller i nästa batteri som köps från bolaget.

– Jag skulle vilja sätta standarden för alla grundämnen som går att återvinna. Metaller är ju grundämnen, det är så häftigt att man kan återvinna dem. Där skiljer sig elbilarna från förbränningsmotorn. Bensin och diesel går inte att återvinna, det blir koldioxid när man har förbränt dem. Medan batterier per definition kan återvinnas. Och därför ska de återvinnas, säger hon.

Så går återvinningsprocessen till

1. Det uttjänta batteriet laddas ur och plockas isär.

2. Cellerna krossas och torkas så att elektrolyten kokar bort.

3. I ett skakbord sorteras den så kallade svarta massan (black mass) ut från övriga partiklar (plast, koppar och aluminium). Den svarta massan innehåller de metaller som är åtråvärda för att använda i ny tillverkning av anod- och katodmaterial.

21221-070.jpg 

4. Black mass-pulvret lakas ur till vätskefas genom att det blandas med vatten, svavelsyra och väteperoxid. Då går pH-värdet ner till 0,2-0,5.

5. Grafit blir kvar i fast fas och sorteras ut genom att lösningen pressas genom ett filter. Då fastnar grafitpartiklarna och kan skrapas av.

6. Den grafitfria lösningen blandas med en organisk lösning för att sortera ut kopparjoner. Den kopparsulfat som blir resultatet säljer Northvolt vidare.

7. Genom att öka pH-värdet med natriumhydroxid samt nickel-, mangan- och kobolthydroxid fälls orenheter ut, till exempel aluminium, järn, zink och eventuellt rester av koppar. Lösningen pressas genom ett filter och metallerna skrapas av.

21221-187.jpg 

8. Lösningen går igenom en jonbytare för att rena bort eventuellt kvarvarande orenheter. Nu innehåller lösningen bara nickel, mangan, kobolt, litium och natrium.

9. Lösningen behandlas i en rotorevaporator. Trycket sänks i kärlet så att vattnet kokar vid 50 grader Celsius. När tillräckligt mycket vatten har kokat bort kyls lösningen så att nickel, mangan och kobolt bildar kristaller. Dessa sorteras ut med en centrifug och kan sedan användas för att tillverka nya katoder.

10. En restprodukt från centrifugen är en vätska där en del nickel, kobolt och mangan finns kvar. Genom att höja pH-värdet fälls metallerna ut som hydroxider som sedan kan användas i steg 7 för att höja pH-värdet.

11. Lösningen som nyss har släppt ifrån sig nickel, mangan och kobolt i kristallform består nu bara av natrium, litium och vatten. Den kyls så att natriumsulfat kristalliseras och kan separeras.

12. Den kvarvarande lösningen behandlas återigen i rotorevaporatorn så att litiumhydroxid kristalliseras och kan separeras. Den kan sedan användas för tillverkning av nya katoder.

Mål för återvinning

Återvinningsanläggningen Revolt Ett i Skellefteå ska tas i drift 2023. Den kommer att återvinna material från två källor, dels uttjänta batterier från elfordon, dels produktionsavfall från batterifabriken Northvolt Ett i Skellefteå.

Målet är att Northvolt Ett från 2030 kan tillverka batterier med 50 procent återvunnet material, det vill säga att 30 GWh av den årliga batterikapaciteten om 60 GWh ska komma från återvunnet material. För det räknar bolaget med att behöva återvinna 125 000 ton batterier per år i Revolt Ett.

Northvolt har tidigare hävdat att deras battericeller ska ge upphov till koldioxidutsläpp som endast motsvarar en fjärdedel av celler från kinesiska konkurrenter.

Linda Nohrstedt

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt