Röntgenfluorescentiespectroscopie voor snelle identificatie van kathodechemie bij recycling van lithium-ionbatterijen

Waarom oude batterijen nog steeds belangrijk zijn

Van smartphones tot elektrische auto’s, lithium-ionbatterijen leveren stilletjes energie voor ons dagelijks leven — en aan het einde van hun levensduur stapelen ze zich op. In elke batterij bevat de kathode waardevolle metalen zoals nikkel, kobalt en mangaan die we liever terugwinnen dan opnieuw delven. Recyclers moeten echter eerst precies weten welk type kathode zich in elke verzegelde cel bevindt, en de huidige methoden zijn traag, rommelig of vereisen demontage van batterijen. Deze studie verkent een snelle, niet-destructieve manier om door batterijbehuizingen heen te “kijken” met behulp van röntgenfluorescentie, wat een potentiële doorbraak kan betekenen voor grootschalige batterijrecycling.

Inzicht zonder openen

De onderzoekers wendden zich tot röntgenfluorescentie (XRF), een techniek waarbij hoogenergetische röntgenstralen een materiaal raken en zijn atomen hun eigen karakteristieke röntgensignalen laten uitsturen. Die signalen werken als elementaire vingerafdrukken en maken duidelijk welke metalen aanwezig zijn. Cruciaal is dat XRF vaak door het metalen of folieverpakkingsmateriaal van een batterij heen kan meten zonder deze te openen. In dit werk gebruikte het team een tabletop XRF-apparaat dat op 50 kilovolt werkte om 108 gebruikte lithium-ionbatterijen van verschillende vormen te scannen — knoopcellen, cilindrische cellen en platte pouch-cellen — verzameld bij een Frans recyclingcentrum.

Van ruwe signalen naar heldere groepen

Het volstaat niet om alleen röntgensignalen te meten; de spectra zijn complex en worden beïnvloed door zowel de kathode als de buitenste behuizing. Om dit te ontwarren heeft het team statistische hulpmiddelen gebruikt die zoeken naar patronen over veel batterijen tegelijk. Ze richtten zich op de sterktes van signalen van vijf belangrijke metalen — aluminium, mangaan, ijzer, kobalt en nikkel — die helpen om gangbare kathodetypes te onderscheiden. Met hoofdcomponentenanalyse en hiërarchische clustering groeperden ze de 108 batterijen in vijf clusters die zowel hun fysieke formaten als hun onderliggende chemieën weerspiegelden.

Controleren wat de groepen werkelijk betekenen

Om te bevestigen wat elke groep daadwerkelijk bevatte, openden de onderzoekers zorgvuldig drie representatieve batterijen uit elk cluster. Ze onderzochten de kathodepoeders met elektronenmicroscopie, röntgendiffractie en een meer gevoelige chemische techniek genaamd ICP-OES. Deze destructieve tests toonden welke kathodematerialen werkelijk aanwezig waren: knoopcellen gebruikten voornamelijk lithium–mangaanoxide; sommige pouch-cellen waren gebaseerd op lithiumkobaltoxide; andere pouch-cellen en de meeste cilindrische cellen bleken te vertrouwen op mengsels van nikkel-, mangaan- en kobalt-rijke oxiden. Belangrijk is dat wanneer ze een classificatiemodel trainden op de hoogkwalitatieve XRF-gegevens en dit vervolgens testten met zeer korte, 5-seconden scans, het model nog steeds alle testbatterijen met zeer hoge zekerheid in de juiste groepen indeelde.

Wanneer verpakking helpt — of het zicht verbergt

De studie laat ook zien dat batterijomhulsels niet alleen obstakels zijn; ze kunnen aanwijzingen geven. Dunne, aluminium-gelaagde pouch-behuizingen laten meer van het kathoderöntgensignaal ontsnappen, waardoor het gemakkelijker wordt de werkelijke chemie te lezen. Dikke roestvrijstalen behuizingen van knoop- en cilindrische cellen absorberen en overschaduwen de kathodesignalen daarentegen sterk, zodat het XRF-spectrum wordt gedomineerd door het staal zelf. Toch correleerde zelfs in deze gevallen de chemische samenstelling van de behuizing en plastic mouwen — zoals de aanwezigheid van chloor of titaniumgebaseerde pigmenten — vaak met bepaalde kathodefamilies in de steekproef. Dit betekent dat het systeem soms de buitenverpakking als proxy kan gebruiken wanneer directe kathodesignalen zwak zijn, terwijl wordt erkend dat dergelijke correlaties niet overal hoeven op te gaan.

Snellere sortering voor een circulaire batterijeconomie

Al met al toont het werk aan dat XRF gecombineerd met slimme data-analyse gebruikte batterijen binnen enkele seconden op kathodetype kan sorteren, zonder demontage, althans voor het scala aan commerciële cellen dat onderzocht is. Pouch-cellen met puur kobaltbasis-kathodes kunnen bijvoorbeeld direct worden herkend — waardevol om kobalt-rijke batterijen naar gespecialiseerde terugwinningsstromen te leiden. Hoewel de methode niet elke mogelijke constructie perfect kan identificeren en moeite heeft met zeer dikke stalen behuizingen, biedt ze een praktische basis voor geautomatiseerde, realtime sorteerlijnen. Door verschillende batterijchemieën snel naar op maat gemaakte recyclingprocessen te leiden, kan deze aanpak helpen meer kritieke metalen terug te winnen, verwerkingskosten te verlagen en de ecologische voetafdruk van onze groeiende vraag naar oplaadbare energie te verminderen.

Bronvermelding: Ren, F., Vidal, V., Campos, A. et al. X-ray fluorescence spectroscopy for rapid identification of cathode chemistry in lithium-ion battery recycling. Commun Eng 5, 67 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00618-3

Trefwoorden: recycling van lithium-ionbatterijen, kathode-identificatie, röntgenfluorescentie, terugwinning van kritieke metalen, battersorteringstechnologie