The Effects of Recycled Content on Aluminium Components' Quality in Lithium-ion Batteries

Abstract

Following the implementation of the 2023 EU Batteries Regulation, the new requirements will push lithium-ion battery (LIB) manufacturers to reduce the carbon footprint of battery production as well as increase the amount of recycled material in batteries. While recycling targets have been set for the cathode active materials, i.e. lithium, nickel and cobalt, another crucial LIB material has been excluded from the regulation: aluminium (Al). Due to the wide range of properties, such as low specific weight, electrical and thermal conductivity and corrosion resistance, aluminium alloys are used throughout LIBs in various components. However, most of the components are made of primary aluminium alloys, resulting in significant carbon footprint contributions in LIBs. Compared to primary aluminium alloys, secondary (recycled) alloys offer considerable carbon footprint reductions, but are often disregarded in LIB applications due to quality concerns.

This thesis investigates the feasibility of replacing primary aluminium alloys with secondary ones in LIB components. The differences in impurities, chemical composition, mechanical properties and corrosion behaviour are examined between a primary- and secondary-Al-based 6060 (Al-Mg-Si) alloy. Results are obtained through scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive x-ray spectroscopy (EDX), tensile tests and an accelerated corrosion test. The results show a notable increase in impurities within the secondary-Al-based alloy. While some impurities enhanced the ultimate tensile -and yield strength of the alloy, the ductility and corrosion resistance were reduced mainly due to an increase in iron-rich second phase particles.

Based on the results, replacing the primary-Al-based alloy with the secondary-Al-based one in structural LIB components may prove beneficial due to the presence of some strength enhancing impurities. However, the inferior ductility and corrosion resistance of the secondary-Al-based alloy may prove disadvantageous in the longevity, reliability and overall safety of some LIB components. More tests are needed to determine the effects on other properties characteristic to aluminium components in LIBs, such as electrical and thermal conductivity. Further testing should also be performed on other alloys and the components themselves for more comprehensive conclusions.

Vuoden 2023 EU:n akkuasetuksen myötä tulevat vaatimukset velvoittavat litiumioniakkujen valmistajia vähentämään akkujen tuotannosta johtuvaa hiilijalanjälkeä sekä lisäämään kierrätetyn materiaalin osuutta akuissa. Kierrätystavoitteet ovat tällä hetkellä asetettu pääosin katodimateriaaleille, kuten litiumille, nikkelille ja koboltille. Yksi keskeisimmistä akkumateriaaleista on kuitenkin jätetty täysin asetuksen ulkopuolelle: alumiini. Alumiiniseoksia käytetään litiumioniakuissa useissa eri komponenteissa monipuolisten ominaisuuksiensa, kuten alhaisen ominaispainon, sähkön- ja lämmönjohtavuuden sekä korroosionkestävyyden ansiosta. Valtaosa komponenteista valmistetaan primaarialumiinista, mikä kasvattaa merkittävästi litiumioniakkujen hiilijalanjälkeä. Kierrätetyt alumiiniseokset voisivat laskea hiilijalanjälkeä huomattavasti, mutta niiden käyttöä litiumioniakuissa vältetään laatuun liittyvien huolien vuoksi.

Tässä työssä tutkitaan primaarialumiiniseosten korvaamisen mahdollisuutta kierrätetyillä alumiiniseoksilla litiumioniakkukomponenteissa. Työssä vertaillaan primaari- ja kierrätysalumiinipohjaisen 6060-seoksen eroja epäpuhtauksissa, kemiallisessa koostumuksessa, mekaanisissa ominaisuuksissa sekä korroosionkestävyydessä. Tuloksia kerätään pyyhkäisyelektronimikroskopian, energiaa dispersiivisen röntgenspektroskopian, vetokokeiden ja nopeutetun korroosiokokeen avulla. Tulokset osoittavat epäpuhtauksien määrän lisääntyvän kierrätysalumiinipohjaisessa seoksessa. Vaikka osa epäpuhtauksista paransivat seoksen murto- ja myötölujuutta, sitkeys ja korroosionkestävyys heikkenivät pääasiassa rautapitoisten toisen faasin hiukkasten lisääntymisen vuoksi.

Tulosten perusteella primaariseoksen korvaaminen kierrätysseoksella voisi osoittautua hyödylliseksi litiumioniakkujen rakenteellisissa alumiinikomponenteissa, sillä tietyt epäpuhtaudet paransivat lujuutta. Kierrätysseoksen heikompi sitkeys ja korroosionkestävyys saattaisi kuitenkin heikentää muiden komponenttien käyttöikää, luotettavuutta ja yleistä turvallisuutta. Lisäkokeita tarvitaan selvittämään, miten kierrätysmateriaali vaikuttaa muihin alumiinikomponenteille tyypillisiin ominaisuuksiin, kuten sähkön- ja lämmönjohtavuuteen. Lisätutkimusta tulisi tehdä myös muilla alumiiniseoksilla ja varsinaisilla alumiinikomponenteilla kattavampien johtopäätösten saamiseksi.