Met de verwachte groei van EV's in de komende twee decennia komt de kwestie van het recyclen van de grote lithium-ionbatterijpakketten die ze aandrijven. ORNL-ingenieurs hebben een demonstratie samengesteld om te laten zien dat robots de demontage kunnen versnellen en het proces veiliger kunnen maken voor werknemers, terwijl de doorvoer aanzienlijk wordt vergroot.
Slechts een klein percentage van de lithium-ion-voertuigaccu's wordt tegenwoordig gerecycled en de meeste processen die hiervoor worden gebruikt, zijn niet geautomatiseerd, zegt Tim McIntyre, hoofdonderzoeker bij ORNL's afdeling Elektrificatie en Energie-infrastructuur.
Of een recycler nu gewoon door de buitenbehuizing wil om toegang te krijgen tot batterijen en versleten componenten te vervangen, of batterijstapels volledig wil recyclen voor het terugwinnen van kobalt, lithium, metaalfolie en andere materialen, de eerste stap is batterijdiagnose voor veilige en efficiënte hantering en demontage .
"Met ons systeem, wanneer de robot het batterijpakket oppakt en op de productielijn plaatst, markeert het de laatste keer dat een mens het zal aanraken totdat het in stukken en delen is", zei McIntyre.
Het beperken van menselijke interactie is belangrijk voor zowel de veiligheid als de efficiëntie. De robots verwijderen snel bouten en andere behuizingen, ongeacht de resterende lading, terwijl menselijke operators een veeleisend, langdurig proces moeten uitvoeren om gebruikte batterijen te ontladen voordat ze handmatig worden afgebroken. Geautomatiseerde demontage vermindert de blootstelling van de mens aan giftige chemicaliën die in de batterijen worden aangetroffen en hoge stroomniveaus die in sommige nieuwere voertuigen het 900-volt-niveau naderen.
Het geautomatiseerde systeem, ontwikkeld als onderdeel van DOE's Critical Materials Institute, of CMI, kan eenvoudig opnieuw worden geconfigureerd voor elk type batterijstapel. Het kan worden geprogrammeerd om alleen toegang te krijgen tot de afzonderlijke batterijmodules voor renovatie of hergebruik als stationaire energieopslag, of de batterijen kunnen tot op celniveau uit elkaar worden gehaald voor scheiding en materiaalterugwinning.
Het werk bouwt voort op expertise die is ontwikkeld in eerdere ORNL-projecten voor de CMI die zich richtten op robotische demontage van harde schijven voor het herstel van zeldzame-aardmagneten. Ingenieurs hebben ook bewezen dat die magneten direct kunnen worden hergebruikt in elektromotoren.
"Automatische demontage van componenten die kritieke materialen bevatten, elimineert niet alleen arbeidsintensieve handmatige demontage, maar zorgt ook voor een efficiënt proces om de componenten te scheiden in stromen met een hogere waarde, waarbij de kritieke materialen worden geconcentreerd in individuele grondstoffen voor recyclingverwerking", aldus CMI-directeur Tom Lograsso . “Deze toegevoegde waarde is een belangrijk onderdeel van het opzetten van een economisch levensvatbaar proces.”
De onderzoekers volgen elke keer hetzelfde protocol: het gebruikte onderdeel handmatig afbreken en gegevens over dat proces verzamelen om de robottools en -besturingen te creëren die nodig zijn om een geautomatiseerd systeem aan te sturen, zei Jonathan Harter, lid van het ORNL-projectteam.
“De industrie is niet beperkt in de hoeveelheid batterijen die ze in dit proces kunnen opnemen. Er is al een aanzienlijke achterstand opgebouwd. De beperkende factor is de tijd die nodig is om de elektrische ontlading uit te voeren en handmatig uit te voeren, "zei Harter. Hij schatte dat in de tijd die sommige processen nodig hebben om 12 batterijstapels met de hand uit elkaar te halen, het geautomatiseerde systeem er 100 of meer aankan.
De volgende stap zou kunnen zijn om het proces op commerciële schaal op te bouwen, en het team van McIntyre ziet ook mogelijkheden om hetzelfde soort demontagesysteem toe te passen op aandrijflijnen van elektrische voertuigen voor het terugwinnen van materialen zoals zeldzame-aardmagneten, koper, staal en intacte vermogenselektronica. Om recycling economisch haalbaarder te maken, moet het gebeuren met een hoge doorvoer en flexibel genoeg zijn om meerdere consumentenproducten in één faciliteit te verwerken, zei Harter.
"Als de markt voor elektrische voertuigen in de komende 10 tot 20 jaar versnelt zoals verwacht, zullen we het probleem van de afvalstroom moeten aanpakken en deze gebruikte voertuigen en batterijen als centraal moeten beschouwen in de toeleveringsketen voor productiematerialen", zei hij.