”Suomi on edelleen maa, jossa paristojen keräysaste on suhteellisen alhainen, vain noin 45 %, mikä on alle Euroopan keskiarvon. Tämä on ilmeinen ongelma”, sanoo professori Rodrigo Serna. Hän on Aalto-yliopiston mineraalinkäsittelyn ja kierrätyksen apulaisprofessori.
Muutama viikko sitten Suomi julkisti kansallisen akustrategiansa, jonka tavoitteena on tukea maan kehitystä akkoteollisuuden raaka-ainetuotannon merkittävänä toimijana. Toimenpide on erittäin ajankohtainen, sillä ladattavien akkujen kysynnän ennustetaan kasvavan tulevina vuosina ajoneuvojen sähköistämistä koskevien kunnianhimoisten suunnitelmien ja sähköntuotantoverkkoihin tehtävien investointien vuoksi. Kiinnostus sähköistämistä kohtaan on täysin perusteltua, sillä Euroopan maat etsivät luotettavia strategioita saavuttaakseen kunnianhimoiset tavoitteet hiilineutraaliuden saavuttamiseksi. Tämä ennennäkemätön tilanne on luonnollisesti käynnistänyt keskusteluja uusista markkinoista ja liiketoimintamahdollisuuksista niille maille, jotka pystyvät kilpailemaan tällä alalla. Lisäksi meidän teknisten alojen toimijoiden tulisi pitää tätä teknologisen innovaation lähtökohtana. Suomea voidaan pitää etuoikeutetussa asemassa akkujen raaka-aineiden alalla, sillä maassa on toimiva kaivosteollisuus, toimivat jalostuslaitokset sekä todetut esiintymät useista akkujen valmistuksessa käytettävistä pääkomponenteista. Onkin mielenkiintoista, että akkustrategia ei rajoitu raaka-aineiden tuotantoon primaarilähteistä, vaan siinä korostetaan myös akkumateriaalien kiertotaloutta. Toisin sanoen siinä käsitellään myös akkujen uudelleenkäyttöä, uudelleenvalmistusta ja tietenkin kierrätystä.
Jos hiilineutraalius on yksi sähköistymisen tärkeimmistä liikkeellepanevista tekijöistä, raaka-aineiden talteenottoa kierrätyksen kautta voidaan pitää sen sopivana täydennyksenä. Onkin yleisesti tunnustettu, että maaperästä tapahtuvaan mineraalivarojen louhintaan liittyvien toimintojen vähentäminen johtaa raaka-ainetuotannon hiilijalanjäljen pienenemiseen. Miten Suomi voi tehostaa kierrätystoimintaansa ja samalla edistää akkujen raaka-aineiden tuotantoa?
Jotta voimme vastata tähän kysymykseen, meidän on ensin ymmärrettävä akkujen arvoketjut ekosysteeminä, johon kuuluvat paitsi teknologiset toimijat (eli kierrätysyritykset ja akkuvalmistajat) myös yhteiskunnalliset toimijat, mukaan lukien suuri yleisö. On yllättävää, että huolimatta keskeisestä roolistaan kansainvälisissä akkujen kierrätyskeskusteluissa Suomi on edelleen maa, jossa akkujen keräysaste on suhteellisen alhainen. Vuoden 2018 tilastojen mukaan käytettyjen akkujen keräysaste Suomessa oli vain noin 45 %, mikä on hieman alle Euroopan keskiarvon, joka on 48 %. Tämä on ilmeinen ongelma, sillä kierrätyslaitokset tarvitsevat jatkuvia ja suuria syöttövirtoja. Miksi nämä puuttuvat akut eivät sitten päädy kierrätysprosesseihin? Ei ole yllättävää, että vastaus saattaa olla se, että ne jäävät laatikoihimme ja kaappeihimme. Koska kyseessä on pikemminkin kuluttajien käyttäytymiseen liittyvä ongelma, se on ratkaistava käynnistämällä yleisölle suunnattuja tiedotuskampanjoita ja poistamalla olemassa olevia esteitä (teknisiä, maantieteellisiä, psykologisia tai muita) käyttäjien ja keräyspisteiden väliltä. Kun suurempi osa paristoista päätyy ajoneuvokantaan pikkuelektroniikan sijaan, käytöstä poistettujen paristojen kohtaloa voidaan ehkä valvoa tiukemmin, mutta asianmukaiset standardit ja toimintalinjat on joka tapauksessa otettava käyttöön.
Entä ne akut, jotka päätyvät kierrätyslaitoksiin? Tällaisessa tapauksessa voidaan tunnistaa mahdollisuuksia teknologian kehittämiseen nykyisten huipputeknologian (SoA) prosessien rajoitusten seurauksena. Tällaisten haasteiden käsittelemiseksi on ensin ymmärrettävä litiumioniakkujen (LIB) koostumus, sillä ne ovat yleisin ladattavien akkujen tyyppi kulutuselektroniikassa ja sähköajoneuvoissa. LIB-akut ovat monimutkaisia järjestelmiä, jotka sisältävät vaikeasti käsiteltäviä materiaaleja, kuten mikrometrin kokoisia hiukkasia ja ohuita kalvoja, jotka on sidottu tiukasti yhteen polymeerisillä liimoilla, jotka aktivoituvat syttyvien ja myrkyllisten elektrolyyttien vaikutuksesta, jotka on pakattu tiiviisti pusseihin tai sylintereihin ja sijoitettu erimuotoisiin koteloihin, jotka on tyhjennettävä asianmukaisesti ennen kuin niiden purkamista edes voidaan yrittää. Jos menetit hengityksesi lukiessasi edellistä virkettä, voit kuvitella, miltä kierrätysteknologian asiantuntijoille LIB-akut tuntuvat.
On ymmärrettävää, että SoA-kierrätysteknologioiden tavoitteena on talteenottaa metallit, jotka ovat helposti saatavilla tai joilla on suuri taloudellinen arvo. Alumiinia tai terästä sisältävien kotelomateriaalien talteenotto tapahtuu jo riittävän tehokkaasti, vaikka käytöstä poistettujen akkujen turvallista käsittelyä koskevia purkustrategioita voidaan vielä parantaa. Kun kotelo on poistettu, akut käsitellään mekaanisesti aktiivisten komponenttien erottamiseksi, minkä tuloksena syntyy jauheeseos, jota kutsutaan tyypillisesti ”mustaksi massaksi”. Mustasta massasta SoA-tekniikoissa pyritään talteen ottamaan yksi tietty metalli sen korkean taloudellisen arvon vuoksi: koboltti. Pyrometallurgisten prosessien avulla kobolttia uutetaan tällä hetkellä mustasta massasta tehokkaasti, mutta samalla menetetään muut akkumateriaalit. Tämä merkitsee komponenttien, kuten grafiitin, alumiinin ja kuparifolioiden, menetyksiä. Siksi tarvitaan innovaatioita, jotta voidaan suunnitella kierrätysprosesseja, jotka mahdollistavat akkujen monipuolisemman materiaalien talteenoton. Tällainen ihanteellinen tavoite on innoittanut sekä tutkijoita että teollisuutta merkittäviin ponnisteluihin, ja joidenkin uusien prosessien kerrotaan jo pystyvän talteenottamaan suurimman osan näistä arvokkaista komponenteista. Aalto-yliopiston laboratorioissamme olemme testanneet prosesseja litiumin, metallifolioiden ja grafiitin talteenottamiseksi yhdistämällä huolellisesti esimerkiksi mekaanisen erottelun, hydrometallurgiset ja pyrometallurgiset prosessit.
Voidaan todeta, että litiumioniakkujen materiaalien talteenottoon osallistuvat toimijat ymmärtävät hyvin SoA-teknologioiden haasteet, ja nyt on aika ryhtyä toimiin niiden ratkaisemiseksi sekä tukea kansallisia etenemissuunnitelmia korkealaatuisen tieteen ja teknologisen innovaation avulla. Lyhyellä ja keskipitkällä aikavälillä tavoitteenamme tulisi olla sellaisten kierrätysteknologioiden kehittäminen, joilla voidaan talteenottaa laaja valikoima komponentteja. Vaikka esimerkiksi litiumiin ja grafiittiin ei ole aiemmin kiinnitetty paljon huomiota, ne tunnustetaan vähitellen arvokkaiksi komponenteiksi, ja joissakin määritelmissä jopa kriittisiksi. Näiden uusien teknologioiden tulisi myös olla ympäristövaikutuksiltaan vähäisiä, ja niissä tulisi mahdollisesti hyödyntää vähätoksisia kemikaaleja sekä optimoitua energiankulutusta. Arvokkaiden raaka-aineiden täydellinen talteenotto olisi täysin kiertotalouden periaatteiden mukaista. Pidemmällä aikavälillä innovaatioiden tulisi noudattaa kokonaisvaltaisempaa näkökulmaa, ja ihannetapauksessa tuloksena olisi litiumioniakkuja, jotka tarjoavat hyvää suorituskykyä ja pidemmän käyttöiän, mutta jotka on samalla suunniteltu kierrätettävyys mielessä pitäen. Tällaisilla ominaisuuksilla varustettu akku saattaa kuulostaa utopistiselta, mutta vallankumoukset seuraavat aina kunnianhimoisia tavoitteita!
Rodrigo Serna-Guerrero
Apulaisprofessori, mineraalien jalostus ja kierrätys
Kemian ja metallurgian tekniikan laitos
Aalto-yliopisto