rfr · H90WRFR10 · 2022-05-04 00:00:00 — Att ha ett svärd i rent järn var en klenod. Rustningar i metall var dyra etc. Allt eftersom gruvbrytningen blev lättare och snabbare i och med industrialiseringen, men även före, blev också metallernas allmänvärde lägre. Fler och fler kunde använda metaller i det dagliga livet. Det blev också ganska tidigt ett skifte från främst järn, guld och silver till andra metaller med andra tillämpningar. har de sällsynta jordartsmetallerna hamnat i fokus och just på den sidan är återvinningen dålig, , medan återvinningen av bulkmetaller som järn och koppar är industriellt mogna processer. En viktig fråga i sammanhanget är huruvida vi kan tillgodogöra oss återvinningen som en viktig del i att nå ett cirkulärt samhälle. Svaret på den frågan är i bästa fall – delvis. Som framgår ur Figur 1 och 2 nedan är den viktiga faktorn att få ned för att nå ett cirkulärt samhälle tillväxten som kräver mer och mer material. Procent som täcks av återvinning för olika återvinningsgrader vid tillväxt % av behovet täckt av återvinning FOU OM ÅTERVINNING AV INNOVATIONSKRITISKA METALLER OCH BILAGA 2 Procent som täcks av återvinning för olika återvinningsgrader vid tillväxt % av behovet täckt av återvinning Om man nu studerar Figur 1 ser man att för en normal tillväxt på och en återvinningsgrad på det i princip omöjliga så täcker återvinningen maximalt av behovet om produkten har en livslängd . För mer innovationskritiska metaller såsom t.ex. litium är tillväxten väsentligt högre och då framgår det ur Figur 2 att täcker återvinning av behovet. Dessvärre kan man se att allteftersom tillväxten kräver att fler och fler prylar kommer ut på marknaden som råvarupriserna ökar så tenderar tekniken att utvecklas mot ett läge där mindre och mindre av de dyrbara metallerna finns i varje produkt. Detta i sin tur är ett tveeggat svärd då det i princip innebär att återvinningen blir mer och mer komplicerad. Det kan te sig motsägelsefullt, men inte desto mindre sant, att ju mindre metaller man har i varje produkt desto mindre återvinns totalt sett och desto mer hamnar i diverse avfallsströmmar som saknar metallåtervinning som en del i processen. Det är helt enkelt för dyrt och komplicerat att återvinna de små mängderna (i varje produkt) från dessa komplexa (men ganska stora) materialflöden. Det är vanligt att man diskuterar mognadsgraden vid processutveckling via en skala som kallas TRL (Technological Readiness Level). Denna skala utvecklades ursprungligen vid i men har sedan anpassats för allmän processutveckling inom t.ex. EU. Den har nio steg och man kan då jämföra olika processers utvecklingsgrad och i någon mån också se hur långt bort man anser att en verklig tillämpning ligger. Det är också bra att följa denna skala när man utvecklar processer då man på det sättet kan säkerställa god spårbarhet och tydlighet. Nivåerna är enligt Tabell 1 nedan. BILAGA 2 FOU OM ÅTERVINNING AV INNOVATIONSKRITISKA METALLER OCH De olika nivåerna i TRL-skalan 2Ett teknologikoncept finns formulerat 3De grundläggande principerna visas på laboratorium 4Teknologin bekräftad på laboratorium 5Teknologin validerad i relevant miljö 6Teknologin demonstrerad i relevant miljö 7Systemprototyp testad i relevant miljö (pilot) 8Systemet komplett och bekräftat 9Systemet beprövat i relevant miljö (mogen teknik) Det är alltså ganska tydligt vilka steg som är nödvändiga att ta. För att en industri skall tillämpa en teknik bör man ha nått minst TRL8. Man bör alltså se denna rapport som ett led i att kartlägga läget på metallåtervinningen i världen, och eftersom vi lever i ett globalt samhälle där både produkter och råvaror kommer från hela världen. Naturligtvis inställer sig då problemet var man anser att forskning bedrivs. Vi har försökt att hantera detta på EU-nivå genom att ta med projekt med svenska deltagare, liksom svenska projekt. Detta är viktigt då antalet platser där verklig återvinningsforskning utföres med mål att utveckla fungerande processer är mycket få i . Detta gäller även den inhemska finansieringen för dylika projekt. Man kan se att en överväldigande del av finansieringen går till systemstudier, snarare än utveckling av processer. Vi har valt att fokusera på endast några metaller, nämligen kobolt, litium, indium, molybden samt alla sällsynta jordartsmetaller (REE). I varje kapitel går vi igenom några användningsområden etc för att först ge en bild av den samhälleliga nyttan och sedan hur och om de återvinns. Vi måste i detta sammanhang minnas att det är just produkterna som är återvinningens gruva. Detta skapar i sig en utmaning när det gäller de utvecklande processernas flexibilitet vilket också diskuteras. I förekommande fall kommer vi att försöka ange TRL för antingen specifika processer eller för ämnet som helhet. 2.1 Användning och återvinning Kobolt används i ett tämligen brett spektrum av produkter och huvudsakligen i diverse kemiska föreningar eller i metallisk form. Ett av de mer kända användningsområdena för koboltföreningar är i ett flertal olika batterikemikalier såsom katodmaterial i Li-jon batterier eller anodmaterial i NiMH-batte- rier. I detta sammanhang anses kobolt ofta som den begränsande metallen för massproduktion av batterier till rimliga priser. Andra vanliga produkter är som additiv i olika keramiska material eller i pigment. Dessa produkter spelar dock FOU OM ÅTERVINNING AV INNOVATIONSKRITISKA METALLER OCH BILAGA 2 mindre roll för diskussionerna kring återvinning av kobolt. (Hamut, 2017), (Ogura & Kolhe, 2017), (Llusar et al., 2001), (Delorme et al., 2017). Metallisk kobolt ingår i ett antal olika så kallade superlegeringar, slitstarka koboltbaserade legeringar, kända som Stellites, och även i biokompatibla legeringar av Co-Cr-Mo (, 2008). Beroende på i vilken kemisk form, kobolt befinner sig i produkterna samt huruvida det är en del eller huvudkomponent påverkar tydligt möjligheterna till effektiv återvinning och så även de tekniker som används. På grund av den förväntade ökningen av batterier i världen är koboltåtervinningen från just batterier det som fått mest fokus . Just nu är huvudspåret återvinning från katoderna i Li-jonbatterier. I dessa återfinns kobolt som litiumkoboltoxid, LiCoO2, eller dess varianter litium-nickel-kobolt- aluminiumoxid eller litium-nickel-mangan-koboltoxid. Dessa material är också viktiga källor för återvinningen av flera andra metaller såsom litium, nickel och mangan. Återvinningen av kobolt från ett sorterat batteriavfall genomförs oftast genom pyrometallurgiska eller hydrometallurgiska tekniker, d.v.s. genom smältning eller lakning. Mycket av arbetet inom detta område har koncentrerats på lakning i kombination med en reduktiv behandling av den lösta kobolten för att optimera förutsättningarna för ett maximalt utbyte, t.ex. (Meng et al ), (et al ), (Meng, , 2017), (Albler et al ), (Torkaman et al ), (, 2010), (et al., 2017), (Takacova et al ). Ett proof-of-concept har också genomförts för en pyrometallurgisk väg för att återvinna kobolt (Georgi-Maschler et al ). Utöver dessa har några framgångsrika försök att återvinna elektrodmaterialet, LiCoO2, genom ”solid- state-synthesis” rapporterats (Pegoretti et al ), (et al ). Om man går tillbaka lite i tiden till så täckte superlegeringar av koboltanvändningen i (Shedd, 1998) med flyg- och energiproduktion som de viktigaste konsumentsektorerna (Srivastava et al ). Trots den senare uppkomsten av batterirevolutionen är det tydligt att superlegeringar är en viktig användningskategori för kobolt (, 2016). När det gäller koboltbaserade legeringar finns det redan välfungerande återvinningsteknik, men det finns naturligtvis fortfarande flera utmaningar att övervinna för en mer effektiv och selektiv återvinning. I legeringar kan återvinningen av materialet enklast göras vid källan, det vill säga där en legering gjuts eller bearbetas. Detta är vanligt på tydligt dedikerade platser och företag vilket gör insamlingen av skrot för återvinning relativt enkel. Det enklaste sättet att återvinna kobolt är att omsmälta skrotet direkt förutsatt att det insamlade materialet håller en önskvärd kvalitet med avseende på koboltinnehåll och övriga metaller. Ej heller bör materialet innehålla skadliga element såsom t. ex. poleringskorn eller skäroljor. (, 2016) Mer om det nedan. I övrigt kan man säga att de viktigaste teknikerna för att återvinna superlegeringsskrot och till och med koboltkatalysatorer är precis som i fallet med BILAGA 2 FOU OM ÅTERVINNING AV INNOVATIONSKRITISKA METALLER OCH batterimaterial genom pyrometallurgi, hydrometallurgi och deras kombi- Viktiga frågor som ofta diskuteras och undersöks här är miljöfarlig- het och energiintensivitet. Återvinningen av superlegeringar är i allmänhet komplicerad eftersom ty- piska superlegeringar innehåller mer än 20 legeringselement och att ta hänsyn vid återvinning av varje enskilt element som ingår i legeringen är mycket krä- Till exempel, 1998 i , d.v.s. före batteriteknikens boom, var åter- vinningseffektiviteten för koboltskrot (Shedd, 1998). skrotet superlegeringsdelar, hårdmetalldelar, magneter, förbrukade katalysa- torer och andra metallprodukter men det framhölls tydligt att en del av det återvunna skrotet genomgick en nedgradering, dvs spädning till en nivå där dess egenskaper inte utnyttjas fullt ut ( legeringselement i t.ex. stål). som direkt bidrar till återvinningsgraden är dessutom mängden producerat Det är erkänt att superlegeringsindustrin släpper ut en stor mängd skrot: komponenter kan ha ett slutproduktutbyte på på grund av be- arbetning och smide (Srivastava et al., 2014). För Stellite, d.v.s. hårdmetall- eller hårdmetallstrukturer delas återvinnings- processerna som direkta eller indirekta: Direkta metoder inkluderar kallströmsprocesser, såsom gasförstoftning men utförd vid lägre temperaturer och zinksmältprocesser där materialet ned- sänks i smält zinkbad för att sedan reagera selektivt med kobolt för att skapa en porös struktur från vilken zinken kan värmas upp och tas bort samt Co- och WC-pulver separerade (Katiyar et al ), (, , & Son, 2014), (, 2005). De indirekta återvinningsmetoderna involverar sekventiella steg av torra och våta processer såsom klorering, oxidation-alkalisk urlakning och oxidation- reduktion för att möjliggöra selektiv återvinning av de element som ingår i materialet (Katiyar et al., 2014), (et al., 2014). Att hitta den optimala kombinationen av processer och processparametrar har mobiliserat en betydande forskningsansträngning. (et al., 2014), (JC et al., 2011), (Kücher et al ), (Xi et al ). många av processerna fortfarande mycket låga koboltutbyten, t.ex. (et al Nya siffror visar att återvinningsgraden (End of life Recycling rate, EOL- RIR) för kobolt är . Det är trots detta beskedliga värde den tredje högst bland de kritiska råvarorna (CRM) efter vanadin () och (). Detta beror dock främst på att kobolt används i så stor utsträckning i batteri- applikationer och den befintliga avfallslagstiftningen som kräver insamling av Men fortfarande hamnar mycket av avfallet av kobolt i t.ex. (Mathieux et al., 2017). 2.2 Begränsningar i dagens återvinning Som diskuterats ovan är teknikerna som används vid koboltåtervinning från olika produkter delvis liknande. Detta gäller särskilt vid återvinning av kobolt FOU OM ÅTERVINNING AV INNOVATIONSKRITISKA METALLER OCH BILAGA 2 från batterielektroder och superlegeringsskrot men när de hårda volframkarbiderna ingår blir processerna och teknikerna mer komplexa. Teknikerna finns alltså, om än med varierande avkastningsgrad och ekonomisk genomförbarhet. De luckor som är begränsande för en effektiv återvinning av kobolt är tilllämpningsberoende. Eftersom batterier är det stora fokusområdet är det ofta det som belyses. Vid återvinning av batterier är huvudmålen separation och återvinning av batterikomponenter samt avlägsnande av avfall från miljön. Följande problem har identifierats i batteriåtervinningen: a)Den låga insamlingsgraden för batterier. b)Den inneboende säkerhetsrisken på grund av batteriernas höga reaktivitet. c)Marknaden är i kontinuerlig utveckling med tillkomst av många nya kemi- och elektrodmaterial. d)Parallell användning av olika elektrolyttyper och sammansättningar i batterier vilket gör det utmanande att utveckla en universellt giltig och ekonomiskt genomförbar återvinningsprocess. e)Återvinningen omfattar mestadels bärbara batterier för hemelektronik på grund av en begränsad produktion av batterier för t.ex. elfordon (EV). Detta anses dock öka exponentiellt. Den varierande mängden av kobolt i olika produkter och då speciellt stållegeringar kan också påverka strävan mot återvinning även om teknikerna i princip finns. 2.3 Exempel inom forskningsfältet Återvinning av kobolt från batterier är en mycket välrepresenterad sektor med många nationella och internationella/europeiska projekt av vilka de flesta har nått en hög mognadsnivå, till exempel TRL 6 till 9 när det gäller återvinning av bilbatterier. I har återvinningen av bland annat kobolt mestadels från förbrukat batteriavfall traditionellt drivits av till exempel vilket lett till framgångsrika projekt och med Northvolt () där Northvolt recycling programmet, Revolt, har producerat sin första battericell återvunnet nickel, mangan och kobolt; av KTH i batteriåtervinningsprojekten (1.938983); av genom BASE kompetenscenter () där målet är att främja batteriforskningen såväl som återvinningen; av SWERIM genom () som syftar till återvinning av Li-Ion-bat- terier (där Co också är en av komponenterna). En mycket mer omfattande analys av tidigare och nuvarande återvinning av batterier (och implicit kobolt) i finns i rapporten ”State-of-the-art in BILAGA 2 FOU OM ÅTERVINNING AV INNOVATIONSKRITISKA METALLER OCH reuse and recycling of lithium-ion batterys – A research review”, av (, 2019). Inom EU har koboltåtervinningen från ett antal olika produkter varit på- gående sedan de tidiga ramprogrammen fram till det nuvarande Horizon Europe som just har startat. All information om dessa projekt finns samlade i en plattform som kallas vilken är sökbar med stor detaljrikedom. flesta projekten har startat som forskningsprojekt med någon liten grad av till- lämpning (tidigt i FP7-programmen) och några av dem har nått mognad genom att antingen nå en mycket hög TRL (6-8) eller genom marknadsimplemente- ring (TRL9) (Horizon 2020). kan 47 projekt som handlar om återvinning av kobolt identifieras, se (, 2021) såväl som i (, 2019). 3.1 Användning och återvinning Efterfrågan på litium drivs huvudsakligen av batterimarknaden (av den totala efterfrågan 2019), medan traditionella användningar såsom läkemedel, glastillverkning och andra kemikalier minskar (, 2019). Tillväxttrender för litiumefterfrågan in drivs på liknande sätt av applikationer för litiumjonbatterier (LiB), som beräknas använda av den totala efterfrågan på litium till 2025 (Willuhn, 2020), (Roskill, 2020). I batterier används i huvudsak litium som hydroxid eller karbonat. Detta innebär att efterfrågan på just dessa former antas öka avsevärt vilket också kommer att återspeglas i vilken form man avser att producera återvunnet litium. Det är en ganska stor fördel för återvinningsprocessernas energianvändning då framställning av litiummetall är tämligen energikrävande jämfört med energiåtgången för att producera de ovan nämna salterna (Albermarle, 2019). Renheten hos litium är mycket viktig i batteriapplikationer eftersom det i hög grad påverkar batteriets hastighetskapacitet och livslängd. Till exempel säljs litiumkarbonatpulver för batteritillverkning i allmänhet med en renhet på eller mer vilket också ställer stora krav på återvinningsprocesserna (Tagray, 2020). I batterier återfinns litium oftast i katoden, elektrolyten och i vissa begränsade fall i anoden. Litium är en del av det elektrokemiskt aktiva pulvret i katoden och beroende på batterityp finns i en mängd olika kemier. De viktigaste ämnesgrupperna är litiumkoboltoxid (LCO), litiumnickelmangankoboltoxid (NMC), litiumnickelkoboltaluminiumoxid (NCA), litiummanganoxid (LMO) eller litiumjärnfosfat (LFP). Framtida efterfrågan lutar mot mer av NMC- och NCA-typ (Azevedo, 2018). Pulvret blandas sedan med kimrök och limmas till en aluminiumfolieströmavtagare med en polymer förening, såsom PVDF. Anoder består huvudsakligen av grafit samt innehåller PVDF och kopparfolie. har även tillsatser av andra ämnen i anoden undersökts såsom kiselbaserade legeringar och nanostrukturerad litiumtitanit för att öka den specifika energin (Battery, 2021). De icke-vattenhaltiga elektrolyterna är FOU OM ÅTERVINNING AV INNOVATIONSKRITISKA METALLER OCH BILAGA 2 vanligtvis en blandning av organiska karbonater såsom etylenkarbonat eller dietylkarbonat innehållande komplex av litiumsalter såsom litiumhexafluorfosfat (LiPF6), litiumhexafluorarsenatmonohydrat (LiAsF6), litiumperklorat (LiClO4), litiumperklorat (LiClO4), och litiumtriflat (LiCF3SO3). Komponenterna sedan tätt eller staplas och packas säkert i en plast- eller aluminiumlåda. Batteripaket inkluderar även sensorer, säkerhetsanordningar och kretsar som styr batteridriften, vilket lägger till ytterligare ett lager av komplexitet på sortering och förbehandling innan den kemiska återvinningen kan starta. Sammantaget är litiumbatterier kompakta, komplexa och finns i en mängd olika former och storlekar som vanligtvis inte är designade för att demonteras, vilket ytterligare komplicerar återvinningen av litiumbatterier (Jacoby, 2019). De rapporterade återvinningsgraderna för LiBs på är mycket låga. Detta är dock inte helt korrekt eftersom det mesta exporteras till för rekonditionering/återvinning och deklareras istället som export istället för avfall. I rekonditioneras LiB:erna för "second life"-applikationer såsom i powerbanks och annan energilagring och redovisas därför inte i återvinningsstatistiken. Circular Energy Storage, ett konsultföretag, har uppskattat att återvanns/återanvänds 2018 varav i och i . Globalt finns det över 50 företag involverade i återvinning av LiBs med innehavande den största marknadsandelen. Konkurrensen bland återvinningsföretagen om batterier som ska återvinnas är enligt uppgift mycket hög och varje cellkemi har positiva marknadsvärden i . Detta tyder på att det finns en efterfrågan och att återvinning kan vara ekonomiskt genomförbart (, 2019). Litiumåtervinning kan vara en omständlig process och, som beskrivs i (Ba- lachandran, 2021), kanske hydrometallurgiska processer inte är svaret på hur man återvinner denna metall. En kombination av förbehandlingsmetoder och separation av Li före någon annan kemisk separation kan vara vägen framåt. Det pågår mycket forskning både i och i världen och kunskapen och investerade forskningsmedel är mycket höga. 3.2 Begränsningar i dagens återvinning Det finns betydande luckor för att närma sig god återvinning av litium ur kemisk synvinkel och mer forskning behövs för en hållbar och effektiv återvinning. Det finns plats för förbättringar i redan befintliga processer i laboratorie- eller pilotskala och säkerheten för förbehandlingen kan fortfarande vara ett problem för en storskalig återvinning på grund av den höga energitätheten och riskerna för explosion och brand. Den snabba ökningen av apparater som innehåller små litiumbatterier leder till ökad insamling av sådana batterier men det segmentet ses inte som en pålitlig eller önskvärd källa för återvinning. Huvudsakligen för att dessa batterier återfinns i en uppsjö av storlekar och kemier vilket gör effektiv sortering besvärlig. Metoder som baseras på total smältning föredras därför ofta vilket BILAGA 2 FOU OM ÅTERVINNING AV INNOVATIONSKRITISKA METALLER OCH resulterar i en begränsad effektivitet av litiumåtervinningen. större batterier från elfordon är mer intressanta på grund av högre mängd Li. För att övervinna denna lucka har flera projekt ägnat sig åt att både hantera de små litiumbatterierna såväl som de större elbilarna. 3.3 Exempel inom forskningsfältet Litiumextraktion, användning och återvinning har nått en enastående mognad på bara och drivs av behov i global skala. Den snabba utvecklingen av de elektriska fordonen som drivs av Li-ion-batterier har drivit på tankar om återvinning redan vid tillverkningen. Detta verkar möjligt då utvecklingen gått så snabbt så återvinningsforskningen inte behöver vara reaktiv utan i stället kan vara proaktiv. Detta betyder att just när det gäller denna typ av återvinning kan man koppla designforskningen till återvinningen på ett produktivt sätt. Återvinningen av litium är en mycket väl representerad sektor med många nationella och internationella/europeiska projekt av vilka de flesta har nått en hög mognadsnivå. Till exempel TRL 6 till 9 vid återvinning av bilbatterier vilket ofta sker tillsammans med koboltåtervinning. Ofta är det den senare som är det som är lönsamt och därför även möjliggör litiumåtervinningen. När det gäller forskningsverksamheten i är den snarlik för litium som för kobolt när det gäller batterier som råmaterial. Verksamheter pågår på flera ställen varav några kan nämnas såsom till exempel vilket lett till framgångsrika projekt och med Northvolt () där Northvolts återvinningsprojekt, Revolt, har producerat sin första battericell återvunnet nickel, mangan och kobolt. På KTH kan man se litiumåtervinning i batteriåtervinningsprojekten (of-batteries-1.938983). På sker mycket arbete genom BASE kompetenscenter () där målet är att främja batteriforskningen såväl som återvinningen. Även batteriprojekten på SWERIM genom t.ex. () som syftar till återvinning av Li-Ion-batterier. En mycket mer omfattande analys av tidigare och nuvarande återvinning av batterier (och implicit litium) i finns i rapporten ”State-of-the-art in reuse and recycling of lithium-ion batterys – A research review”, av (, 2019). En annan rapport som rekommenderas visar också fallet med återvinning av batterier i , per land ur ekonomisk synvinkel. (, 2021) Återvinning av litium från olika strömmar (batteri, gruvdrift, etc) har genomförts inom och under Europeiska unionens paraply i projekt som sträcker sig från tidiga program till det nuvarande (Horizon Europe som just har startat) och samlas in på plattformen. De flesta av projekten har, precis som för kobolt, startat som grundforskningsprojekt (tidigt i FP7- FOU OM ÅTERVINNING AV INNOVATIONSKRITISKA METALLER OCH BILAGA 2 programmen) och några av dem har nått mognad genom att antingen nå en mycket hög TRL-nivå (6-8) eller genom marknadsintroduktion (TRL9) (Ho- rizon 2020). kan 67 projekt som handlar om återvinning av litium identifieras, se (, 2021), samt i (, 2019). 4.1 Användning och återvinning På grund av dess egenskaper används indium i ny teknik och då mest i form av indium-tennoxid () i platta bildskärmar som används i tv-apparater, bärbara datorer och mobiltelefoner men också i lödningar och solceller. Andra mindre användningsområden inkluderar termiskt gränssnittsmaterial i elektronik, i alkaliska batterier som ersättning för kvicksilver, legeringar med låg smältpunkt och InGaN-halvledare i lysdioder. förväntas efterfrågan på indium fortsätta att växa och då mest på grund av en ökande marknad av PV-celler och LED-produkter (et al ). Även om återvinningen från uttjänta produkter är mycket låg återvinns en viss del av indium från tillverkningsavfallet (nytt skrot). Länder som producerar indium-tennoxid har avsevärt ökat återvinningsgraden av sin produktion på grund av högre efterfrågan på indiuminnehållande produkter (, 2014). Det pågår viss indiumåtervinning från uttjänta produkter. Ett sådant exempel är i Nordenham, som behandlar återvunnet material och importerade produkter med elektrolytisk zinkraffinering. Under denna process separeras spårmetaller såsom indium, gallium och germanium och föroreningar från huvudmaterialet och säljs till koppar- och blysmältverk med mindre metallkoncentrat. Mängden återvunna spårmetaller är dock inte offentligt tillgängligt.