Regular Article

A critical analysis of material demand and recycling options of electric vehicles in sustainable cities

Impact des véhicules électriques sur le recyclage du lithium – analyse critique de la demande de ressources pour une mobilité plus durable

¹ Project Management Agency Karlsruhe, Karlsruhe Institute of Technology, Karlsruhe, Germany
² SynappCity, Urban Change Strategies, Karlsruhe, Germany
³ Norwegian University of Science and Technology, Trondheim, Germany
⁴ Technische Universität Darmstadt, Darmstadt, Germany
⁵ Karlsruhe Institute of Technology and Helmholtz-Institute Ulm, Ulm, Germany

^* e-mail: saskia.ziemann@kit.edu

Received: 28 June 2017
Accepted: 22 May 2018

Abstract

Cities have a key role in climate change, as they are responsible for 75 percent of global CO₂ emissions − the transport and the buildings sector being among the largest contributors (UNEP, Cities and Climate Change, 2017). New mobility technologies in the transport sector such as electric vehicles (EV) can reduce these emissions substantially. However, a growing number of EV equipped with lithium-based traction batteries will most likely require large quantities of materials such as lithium. Associated with increasing amounts of EV batteries in use is the issue of handling obsolete batteries at the end of their lifetime. Recycling of End-of-Life-batteries is vital to cope with a rising demand for battery materials in terms of energy and resource savings as well as securing raw material supply. But, the recovery of valuable materials during battery recycling processes is a matter of costs. Here we assess the possibilities and conditions for lithium recycling from retired EV batteries in a prospective manner by applying dynamic material flow analysis to the global lithium cycle. In this regard, we also evaluate how potential trends in future raw material prices may impact lithium recycling. We found out that only with a strong price increase for primary lithium, the recovery of lithium from battery recycling processes will become competitive within the next ten years. This underlines the need for strategies to improve the cost-efficiency of lithium recycling. In this context, we discuss options to promote the profitability of lithium recycling from EV batteries, focusing on cities since there are incentives for an increasing use of EV such as emission reductions and infrastructures for a widespread adoption of electric mobility in urban traffic as well. Furthermore, cities provide opportunities for battery use beyond EV through the combined development of decentralized renewable energy sources and smart grids.

Résumé

Responsables de 75 % des émissions mondiales de CO₂, les villes jouent un rôle clef dans le changement climatique − les secteurs des transports et du bâtiment en étant les principaux contributeurs (UNEP, Cities and Climate Change, 2017). Les nouvelles technologies du domaine de la mobilité comme les véhicules électriques (VE) peuvent contribuer substantiellement à réduire ces émissions. Le nombre croissant de VE équipés de batteries de traction devrait nécessiter d’importantes ressources telles que le lithium, tandis que le nombre croissant de batteries de VE soulève le problème de la gestion des batteries en fin de vie. Le recyclage de ces batteries obsolètes sera décisif pour répondre aux enjeux d’économies d’énergie et de ressources, tout comme de sécurisation des approvisionnements dans un contexte de progression de la demande. Pour autant, la récupération des matériaux valorisables lors des processus de recyclage des batteries reste avant tout une question de coûts. Notre étude présente une évaluation prospective des possibilités et conditions de recyclage du lithium des batteries VE en fin de vie, par l’application d’une analyse dynamique des flux de matière au cycle global de ce métal. Celle-ci est complétée par une évaluation de l’impact des évolutions potentielles des prix de matériaux sur le recyclage du lithium. Nos résultats montrent en effet que seule une forte augmentation du prix du lithium primaire peut rendre la récupération issue du recyclage de batteries compétitive dans les dix ans à venir, faisant ressortir le besoin de nouvelles stratégies pour améliorer la rentabilité de ce procédé. Dans ce contexte, nous abordons également les options susceptibles de favoriser la rentabilité du recyclage de batteries VE, en portant un regard particulier sur le rôle des villes. En effet, ces dernières incitent particulièrement à l’utilisation des VE, que ce soit pour la réduction de leurs émissions ou par le développement des infrastructures de mobilité électrique dans le trafic urbain. De plus, les villes offrent des opportunités de seconde vie et d’exploitation stationnaire des batteries VE via le développement combiné des énergies renouvelables décentralisées et des smart grids.