BAALSCRAP möjliggör battericellådor producerade av skrot

I takt med att efterfrågan på elfordon ökar blir aluminium allt viktigare för att nå nettonollutsläpp inom fordonsindustrin. Till år 2030 förväntas aluminiumhalten i en genomsnittlig personbil uppgå till cirka 260 kg.

Samtidigt bromsas utvecklingen av konservativa materialspecifikationer, särskilt i batteritillämpningar, där ökad användning av skrot är central för en cirkulär aluminiumindustri.

Det Net Zero Industry finansierade projektet BAALSCRAP undersöker hur produktionsprocessen påverkas av oönskade legeringselement och föroreningar i skrotbaserad aluminium genom att utveckla en djupare materialförståelse. Preliminära resultat visar på stor potential att minska klimatavtrycket.

Aluminiumlegeringar för batterier tillverkas i dag med starkt fokus på stabila processer, låg variation och försiktigt vald legeringskemi. Det har i praktiken lett till att produktionen nästan helt baserats på jungfruligt aluminium, med mycket snäva gränsvärden för ämnen som koppar, krom, magnesium och zink.

Gränsvärdena ska säkerställa goda materialegenskaper och undvika defekter som porositet och svetsrelaterade sprickor, men har samtidigt i stort sett uteslutit användningen av återvunnet aluminium, särskilt postkonsumentskrot.

Initiativtagarna till projektet, Gränges, identifierade kundernas specifikationskrav som ett centralt hinder för att införa återvunnet aluminium i produktionen. När projektparterna började granska gränsvärdenas ursprung visade det sig dessutom saknas en tydlig teknisk motivering bakom kraven.

– Vi såg mycket höga kundkrav på den kemiska sammansättningen. När vi frågade var dessa gränser kom ifrån visade det sig att de snäva gränsvärdena härstammade från en enskild kund och hade förts vidare genom hela värdekedjan, utan stöd i publicerad forskning, säger Shirin Nouhi, forskare och gruppledare på Swerim.

Tester bortom dagens gränserv

Forskargruppen tog fram sexton aluminiumlegeringar med varierande halter av magnesium och zink, långt över dagens gränsvärden. Genom småskalig gjutning, valsning och värmebehandling kunde industriliknande förhållanden simuleras till låg kostnad.

Alla legeringar bearbetades och svetsades under samma förhållanden för att tydligt kunna studera kemins betydelse.

– Swerims laboratoriekapacitet har varit avgörande. I stället för fullskaliga försök kan vi simulera industriella processer med bara två kilo material, säger Joacim Hagström, senior specialist inom fysikalisk metallurgi och metalliska materials egenskaper på Swerim.

Högre halter gav ökad stabilitet

Små tillsatser av magnesium och zink (under 0,05%) hade ingen effekt på stabilitet eller porositet, men vid 0,1% minskade porositeten drastiskt. Vid över 0,2% sammanlagd tillsats av ämnena förbättrades stabiliteten ytterligare och alla prov överträffade referensmaterialet från dagens produktion.

– Det som överraskade oss mest var att när man passerar en viss nivå blir svetsen faktiskt mycket bättre. Vid höga halter magnesium och zink såg vi färre porer än i dagens material, säger Shirin Nouhi.

När det kommer till varmsprickning finns en tydlig koppling till magnesiumhalten, svetsens penetration och mikrostrukturen. Tillsats av magnesium förändrar kornstrukturen vilket minskar risken för sprickbildning. Detta stöds även av termodynamisk modellering, men ytterligare forskning krävs för att förstå detta fullt ut.

Ur ett hållbarhetsperspektiv är resultaten mycket intressanta. Om nivåerna kan överföras till industriell skala skulle det möjliggöra ett avsevärt högre innehåll av återvunnet material i batterilegeringar, vilket i sin tur skulle kunna innebära en betydande sänkning av koldioxidavtrycket.

Idag finns 90% av det totala koldioxidutsläppet från produktionen i Scope 3, och beräkningar från Gränges pekar på att användning av återvunnet aluminium skulle kunna minska utsläppet till näst intill noll.  

Att utmana etablerade standarder

BAALSCRAP är ett samarbetsprojekt mellan Gränges, Kedali, Scania och Swerim. Inledningsvis deltog även Northvolt och Novo Energy, men företagen tvingades lämna projektet, något som bland annat har försenat arbetet med fullskaliga försök.

Samtidigt har projektet synliggjort bredare utmaningar för industrin, där etablerade standarder och kundkrav kan utgöra ett betydande hinder.

–  Resultaten visar att vissa etablerade standarder och gränsvärden, som inte alltid har tydligt stöd i forskning, behöver ses över. Det skulle göra det lättare att använda mer återvunnet material – något som är avgörande för att nå ambitiösa mål om nollutsläpp, säger Shirin Nouhi.

Nästa steg är fullskaliga produktionstester för att säkerställa att laboratorieresultaten kan överföras till industriell skala. Om projektet lyckas kan BAALSCRAP inte bara bidra till batterikomponenter med lägre klimatavtryck, utan också leda till en omprövning av hur materialkrav sätts inom hela aluminiumvärdekedjan.