Produktion Recycling von Lithium-Ionen-Akkus

Im Rahmen des vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit durchgeführten Forschungsprojektes „LithoRec“ konnte gezeigt werden, dass das Recycling von Lithium-Ionen-Akkus auf Basis von mechanischen und hydrometallurgischen Prozessen technisch mit hoher Ausbeute und Reinheit möglich und ökologisch wie auch ökonomisch sinnvoll ist.

Viele hundert Tonnen Lithium-Ionen-Akkus fallen in Deutschland jedes Jahr als Abfall an. Mit dem Aufkommen der Elektro-Autos oder auch den stationären Energiespeichern wird das Recycling von Akkus ein wichtiges Thema für die Zukunft. Bei dem 2012 zu Ende gegangenen Forschungsprojekt LithoRec wurde ein neues Konzept entworfen, mit dem sich ein hoher Anteil der eingesetzten Materialien recyceln lässt.

Die Umstellung der Fahrzeug-Antriebskonzepte von Verbrennungsmotoren auf elektrische Antriebssysteme ist nicht nur ein Weg, sich aus der Abhängigkeit vom Erdöl zu lösen, sondern auch den CO2-Ausstoß zu vermindern oder das Abgasproblem der aufstrebenden Mega-Cities insbesondere in Asien zu lösen.

Grundbaustein und Schlüsseltechnologie der Elektromobilität ist der Akku. Aufgrund ihrer Energie- und Leistungsdichte sind nach heutigem Stand der Technik nur Lithium-Ionen-Akkus geeignet, die Anforderungen der Elektromobilität zu erfüllen. Lithium ist zwar überall auf der Erde in Erzen, Sedimentgesteinen, Salzseen und im Meerwasser zu finden, jedoch ist eine kommerzielle Gewinnung derzeit hauptsächlich in geopolitisch weniger stabilen Regionen in Südamerika, in China und in Australien wirtschaftlich sowie technisch möglich. Die derzeitige weltpolitische Relevanz des Lithiums lässt sich beispielsweise an der euphorischen Berichterstattung über mögliche große Lithiumvorkommen in Afghanistan erkennen [1, 2]. Nach einer eingehenden Studie über den prognostizierten Bedarf gegenüber den geschätzten Reserven und Ressourcen postulieren Angerer et al. [3], es gelte den stark wachsenden Bedarf für Lithium und Lithium-Komponenten künftig teilweise aus dem Recycling zu decken.

Der Lithium-Ionen-Akku und seine Inhaltsstoffe

Die einzelnen Zellen eines Lithium-Ionen-Akkus bestehen aus mehreren Anoden- und Kathoden-Schichten, welche durch einen permeablen Separator elektrisch voneinander isoliert sind. Zahlreiche dieser Elektroden-Separator-Schichtungen sind in einem Batteriegehäuse untergebracht, wobei die Elektroden und Separatoren je nach Hersteller gestapelt oder gewickelt werden.

Die Gehäuse können aus Aluminium bestehen (Hard Case) oder aber aus einem flexiblen Aluminium-Kunststoff-Gehäuse (Soft Case oder auch Coffee Bag). Die Gehäuse sind zwischen den Elektroden mit organischem Elektrolytlösungsmittel und Lithiumsalz gefüllt. Dieser Elektrolyt ermöglicht den Austausch der Lithium-Ionen zwischen den Elektroden. Während des Entladens wandern Lithium-Ionen von der Anode zur Kathode, wo sie sich in die Metallgitterstruktur einlagern und ein Elektron aufnehmen. Die Elektronen werden durch die partikuläre Kompositstruktur der Elektrodenbeschichtung zum Stromsammler geleitet (Anode – Kupfer; Kathode – Aluminium), welcher mit dem elektrischen Kontakt der Batterie verbunden ist (Bild 1).

Durch die Lade- und Entladeprozesse treten allerdings elektrochemische, chemische und mechanische Alterungseffekte auf, die einen großen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Akkus haben. Da die Akkus in einem Elektrofahrzeug 10 bis 15 Jahre bzw. 4.000 bis 5.000 Lade- und Entladezyklen ihren Dienst leisten sollen, sind diese Effekte von großer Bedeutung. Die Anode besteht zum größten Teil aus porösem Graphit, der auf einen Kupferstromsammler beschichtet ist, während die Kathode aus Lithium-Mischoxiden (z.B. Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt­oxid, NMC) besteht. Das werden somit die ersten zu recycelnden Materialien sein.

Die Akku-Hersteller versuchen zunehmend, die teuren Übergangsmetalle Kobalt und Nickel in der Batteriechemie zu ersetzen, um die Rohstoffkosten für Akkus zu senken. Beispielsweise werden schon heute Batteriezellen auf Basis von Lithium-Eisenphosphat industriell gefertigt und eingesetzt. Somit ist zu erwarten, dass sich ein späterer Recycling-Prozess weniger aus dem Recycling der wertvollen Metalle Kobalt und Nickel finanzieren kann.