CE and Lithium-ion Batteries

English Version

By Alessandro Innocenti, Tondo Associate and PhD student at Helmholtz Institute Ulm

A Circular Future for Energy Storage

The lithium-ion battery is the key technology that is allowing the widespread adoption of electric vehicles,portable electronic devices, and renewable energy storage.Every year, an increasing number of batteries are put into the market: we passed from an installed capacity of 200 GWh of 2014 to more than 700 GWh in 2019, with a forecast of about 8000 GWh by 2030. This also means that more and more batteries will have to be retired every year after their use in one of the mentioned applications.

In fact, lithium-ion batteries must be replaced after a certain time, since they show a decrease of the performances caused by inevitable chemical degradation reactions. Spent batteries can be directly sent to recycling for the material recovery, but the economic sustainability of lithium-ion battery recycling strongly depends on the presence of precious metals as cobalt (which is getting phased out for its toxicity) and nickel inside. This is the preferred route for the batteries used in consumer electronics and personal mobility systems, which are usually quite small and with a lower quality if compared to other possible applications.

In fact, stricter requirements for batteries are present in the electric vehicle industry, because of the high standards in terms of autonomy and of power set by the manufacturers to be competitive with classic vehicles. Moreover, these standards must be assured for a long time, since no one wants that after one year or two from the purchase, the electric car makes 10-20% less kilometres with each “refill”. In the industry, the common threshold for the end of life of a lithium-ion battery is when it retains 80% of the initial capacity or power. The actual time needed to reach this limit is strongly dependent on the type of car, the driving patterns, and the mean working temperature of the battery. In average, it lies in the 10-20 years range.

The residual performances of these used electric vehicle batteries can be exploited for other less demanding applications, such as light-duty electric vehicles or stationary energy storage for wind and solar electric power plants. This concept is the foundation of the battery second use, whose aims are to increase the battery useful lifetime and to create new revenue streams from refurbished battery packs. A notable example is the one of the collaboration between Relectrify (an Australian startup), the utility AEP and Nissan for the development of a 60 kWh stationary energy storage system based on used Nissan Leaf batteries at the end of 2019.

It is forecasted that by 2030 there will be about 145 GWh of lithium-ion batteries available for reuse. To be able to effectively manage second-life batteries on such a big scale, it is of the foremost importance to understand how the components of the battery degrade, which are the effects of degradation and how to effectively detect them. Predicting the future behaviour of the battery and allowing an accurate estimation of its residual economic value. In fact, the research on the topic of battery second use is focusing on developing non-destructive methods for the measure and the prediction of the performances of aged batteries. For instance, a team lead by scientists from Stanford and MIT published on Nature Energy a work where they were able to rapidly predict the cycle life of lithium-ion batteries only starting from early voltage data, even before degradation started to be evident, by using data-driven models. As the European Commission recently proposed, we need more sustainable batteries for a safe and green integration of energy storage in our society. The use of circular models to manage the lifecycle of these devices is surely a promising way to help to achieve this objective.

Versione Italiano

Un futuro circolare per l’accumulo di energia

La batteria agli ioni di litio è la tecnologia chiave che sta permettendo un’adozione diffusa dei veicoli elettrici, di dispositivi elettronici portatili e dell’accumulo di energia rinnovabile. Ogni anno viene immesso sul mercato un numero crescente di batterie: siamo passati da una capacità installata di 200 GWh nel 2014 a più di 700 GWh nel 2019, con una previsione di circa 8000 GWh entro il 2030. Questo significa anche che ogni anno dovranno essere ritirate sempre più batterie dopo il loro utilizzo in una delle applicazioni citate.

Infatti, le batterie agli ioni di litio devono essere sostituite dopo un certo periodo, poiché mostrano una diminuzione delle prestazioni causata da inevitabili reazioni chimiche di degradazione. Le batterie esaurite possono essere inviate direttamente al riciclo per il recupero dei materiali, ma la sostenibilità economica del riciclo delle batterie agli ioni di litio dipende fortemente dalla presenza di metalli preziosi come il cobalto (che sta venendo gradualmente eliminato per la sua tossicità) e il nichel all’interno. Questa è la via preferenziale per le batterie utilizzate nell’elettronica di consumo e nei sistemi di mobilità personale, che sono di solito piuttosto piccole e di qualità inferiore rispetto ad altre possibili applicazioni.

Nel settore dei veicoli elettrici, invece, ci sono requisiti più severi per le batterie, grazie agli elevati standard in termini di autonomia e di potenza fissati dai costruttori per essere competitivi rispetto ai veicoli classici. Inoltre, questi standard devono essere garantiti a lungo, poiché nessuno vuole che dopo un anno o due dall’acquisto, la propria auto elettrica faccia il 10-20% di chilometri in meno ad ogni “pieno”.Nel settore, la soglia per la fine della vita utile di una batteria agli ioni di litio si raggiunge quando si ha l’80% della capacità o della potenza iniziale. Il tempo effettivo necessario per raggiungere questo limite dipende fortemente dal tipo di auto, dai modelli di guida e dalla temperatura media di lavoro della batteria. In media però, si posiziona in un intervallo fra i 10 e i 20 anni.

Le prestazioni residue di queste batterie usate per veicoli elettrici possono essere sfruttate per altre applicazioni meno impegnative, come per veicoli elettrici leggeri o per l’accumulo di energia per gli impianti eolici e solari. Questo concetto è alla base del battery second-use,il cui obiettivo è quello di aumentare la durata utile della batteria e di creare nuovi flussi di reddito dai pacchi batteria rinnovati. Un esempio degno di nota è la collaborazione tra Relectrify(una startup australiana), l’utility AEP e Nissan per lo sviluppo di un sistema di accumulo di energia stazionario da 60 kWh basato su batterie usate provenienti da delle Nissan Leaf.

Si prevede che entro il 2030 saranno disponibili per il riutilizzo circa 145 GWh di batterie agli ioni di litio. Per poter gestire efficacemente la seconda vita di queste batterie su una scala così grande, è fondamentale capire come i componenti della batteria si degradano, quali sono gli effetti del degrado, e come rilevarli efficacemente. Prevedendo il comportamento futuro della batteria e consentendo una stima accurata del suo valore economico residuo. Infatti, la ricerca sul battery second-use si sta concentrando sullo sviluppo di metodi non distruttivi per la misura e la previsione delle prestazioni delle batterie invecchiate. Per esempio, un gruppo guidato da scienziati di Stanford e del MIT ha pubblicato su Nature Energy un lavoro in cui sono stati in grado di prevedere rapidamente la durata del ciclo di vita delle batterie agli ioni di litio solo a partire dai primi dati di tensione, anche prima che il degrado cominciasse ad essere evidente, utilizzando data-driven models. Come proposto di recente dalla Commissione Europea, abbiamo bisogno di batterie più sostenibili per un’integrazione sicura ed ecologica dell’accumulo di energia nella nostra società. L’uso di modelli circolari per gestire il ciclo di vita di questi dispositivi è sicuramente un modo promettente per contribuire a raggiungere questo obiettivo.

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