Recycling von Batterien Aus Alt mach Neu

Die in Lithium-Ionen-Batterien enthaltenen Materialien sind zu wertvoll für den Müll, mit der steigenden Elektrifizierung des Alltags müssen diese recyclet werden.
Die in Lithium-Ionen-Batterien enthaltenen Materialien sind zu wertvoll für den Müll, mit der steigenden Elektrifizierung des Alltags müssen diese recycelt werden.

Lithium-Ionen-Akkumulatoren benötigen Rohstoffe, die nur begrenzt verfügbar sind und deren Preisentwicklung schwer vorhersagbar ist. Somit ist nach dem Ende ihrer Lebensdauer ein Recycling dringend geboten. Die Technologien dafür machen schnelle Fortschritte.

Wenn im Zuge der Elektrifizierung des Straßenverkehrs die Zahlen produzierter Lithium-Ionen-Batterien in den nächsten Jahren sehr stark zunehmen, dann steigt auch entsprechend – mit einiger Verzögerung – die Menge der ausgedienten. Die darin enthaltenen Materialien sind zu wertvoll für den Müll. Ziel ist, ein Maximum davon wiederzuverwenden, um weniger abhängig von Rohstoffimporten zu werden und die Umweltbilanz von E-Fahrzeugen deutlich zu verbessern. In erster Linie geht es um die besonders knappen Metalle Kobalt und Nickel. Auch wenn deren Preise nach langem Anstieg jüngst wieder gesunken sind [1], so sind hier Prognosen für die nächsten Jahre hochgradig unsicher. Weniger kritisch ist der Engpass bei Lithium, Mangan, Kupfer (Anodenblech), Aluminium (Kathodenblech) und Graphit (Anode).

Nun ist das Recycling mittlerweile längst angelaufen – zuerst für Blei-, NiCd- und NiMH-Akkus, in den letzten Jahren auch für Lithium. Die Elektronik hatte vor einem Jahr darüber berichtet [2]. In pyrometallurgischen Verfahren werden die Zellen geschreddert und dann erhitzt, wobei die verschiedenen Metalle der Reihe nach verdampfen und sich so trennen lassen. Nachteilig ist der hohe Energieaufwand. Sparsamer arbeiten hydrometallurgische Verfahren, wo die Bestandteile in Säuren aufgelöst und schließend chemisch separiert werden. Eine Alternative zum groben Schreddern ist die elektrohydraulische Zerkleinerung, die ein Aufbrechen an den Materialgrenzen auslöst, wonach sich eine physikalische oder chemische Trennung wesentlich vereinfacht. Das läuft aber bisher nur im Labormaßstab und braucht auch wieder viel Energie. In allen Fällen wird die Mikrostruktur der in den Akkus enthaltenen Funktionsmaterialien zerstört. Die Verarbeitung zu wiederverwendbarem Material erfordert daher hohen Aufwand.

Im Prinzip sind das alles schon einmal brauchbare Ansätze, aber letztlich noch zu klein, zu langsam und mit zu großem CO2-Fußabdruck. Für die in Zukunft stark steigenden Mengen ist eine hohe Automatisierung bei gleichzeitiger Energieeinsparung unumgänglich. Der Weg dahin ist eine überaus komplexe Aufgabe, die einzelne Firmen an ihre Grenzen bringen kann. Deshalb geht der Trend immer weiter zu Verbundprojekten aus mehreren sich ergänzenden Partnern. Die Anforderungen an die Prozesse: keine manuellen Arbeiten mehr, minimaler Energieeinsatz (d. h. keine hohen Temperaturen), hohe Wiedergewinnungsrate, hohe Reinheit der gewonnenen Stoffe, keine Emissionen nach draußen, skalierbare, an die wachsenden Mengen anpassbare An- lagengrößen. Und das alles zu minimalen Kosten.

Auf der anderen Seite müssen auch die Batterien dafür vorbereitet sein. Irgendwann werden Vorschriften über die Bauweise notwendig, damit die Verarbeitung möglichst einfach wird (beispielsweise Gehäuse verschraubt statt verschweißt oder verklebt). Doch Derartiges existiert heute noch nicht einmal ansatzweise. Bisher macht noch jeder Hersteller was er will, um die Kosten niedrig zu halten; keiner denkt ans Recycling. Das kann nicht so bleiben. Hier ist eine weitgehende Standardisierung nötig. Auch die Zellen selbst sind sehr unterschiedlich, bei jedem Hersteller anders, oft jedes Jahr verändert. Es kommen immer wieder neue Zellen auf, ohne dass die älteren gleich verschwinden. Die Recyclinganlage muss alle verarbeiten können; sie muss dazu leicht erkennen können, um welchen Zelltyp es sich handelt.

Vor dem eigentlichen Recyclingprozess sind die Batterien zunächst einmal zu sammeln und zu einer zentralen Stelle zu transportieren. Das ist auch schon problematisch, da nach dem Lebensende immer noch viel Energie darin gespeichert ist – mit entsprechender Brandgefahr. Sie sind ein Gefahrgut spezieller Art, für das strenge Vorschriften gelten und eine aufwendige Dokumentation gefordert ist. Die noch brauchbaren Zellen darf man nicht tief­entladen, damit sie in einem »Second Life« weiter genutzt werden können.

Insgesamt steht die Entwicklung nicht still. Vor Kurzem sind hierzulande mehrere neue Projekte angelaufen, drei von diesen werden hier näher vorgestellt.

Breit angelegt: DeMoBat

Der Name steht für „Industrielle Demontage von Batteriemodulen und E-Motoren zur Sicherung wirtschaftsstrategischer Rohstoffe für die E-Mobilität“. Das Projekt entstand im Rahmen des „Strategiedialogs Automobilwirtschaft Baden-Württemberg“ (SDA) und wird vom Landesumweltministerium mit 13 Mio. Euro gefördert. In einem Konsortium kooperieren 13 Projektpartner aus Industrie, Wirtschaft und Wissenschaft. Koordinator ist Prof. Dr. Alex­ander Sauer (Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung, IPA, Stuttgart). Der Schwerpunkt liegt auf der Automatisierung der Vorgänge, d. h. Einsatz von Robotern statt Menschen – schneller, billiger, sicherer. Starttermin war der 1. 12. 2019, End­termin ist der 30.11.2022. In der geplanten Demontagefabrik sollen nicht nur die Batterien zerlegt werden, sondern auch das gesamte Antriebssystem von Elektroautos – Motor und Leistungselektronik. Hierin stecken in den Permanentmagneten teure Seltene Erden wie Neodym und Dysprosium.
Teilprojekt 1 bildet den thematischen Überbau und bettet die Demontage in den Kontext einer Kreislaufwirtschaft einschließlich bestehender und zukünftiger Marktstrukturen ein. Die Teilprojekte 2 und 3 behandeln die Demontage von Batterien und E-Antriebsaggregaten – die Baugruppen von Elektroautos mit den größten Einzelwerten. Die Entscheidung für die industrielle Umsetzung soll Mitte 2021 fallen.

Intelligentes Zerlegen: ReALBatt

Nachdem sich die genannten zerstörenden Verfahren zwar als geeignet, aber noch nicht sehr effizient erwiesen hatten, ging die Suche nach verbesserten unvermindert weiter. Ein wichtiger neuer Schritt besteht darin, die Zellen nicht mehr zu schreddern, sondern zu öffnen und den Elektrodenwickel wieder abzuwickeln. In einem schonenden Verfahren lassen sich so die aktiven Materialien von den Trägerfolien abtrennen (Bild 1).

Die wesentlichen Forschungs-und Entwicklungsarbeiten dazu sind an der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg (BTU) im Fachgebiet Physikalische Chemie gelaufen (Leitung: Prof. Dr. Jörg Acker) [3].
Im Verbundvorhaben ReALBatt – vom BMBF seit Januar 2019 gefördert – wird dieses Verfahren jetzt in die industrielle Praxis umgesetzt. Die weiteren Partner sind das Logistik-Unternehmen Erlos (Zwickau) [4], Hoppecke Advanced Battery Technology (Zwickau), ein Spezialist für Industriebatteriesysteme, und Netzsch Trockenmahltechnik (Hanau). Erlos transportiert ausgediente Lithium-Ionen-Batterien zu seiner Recyclinganlage und zerlegt sie in die Einzelkomponenten. Anode, Separator und Kathode lassen sich so voneinander trennen, dass sämtliches Material rückgewinnbar ist, insbesondere das teure, auf Aluminiumfolien sitzende Kathodenmaterial, heute meist Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC).

Der wesentliche Vorteil dabei: Die Mikrostruktur wird nicht zerstört wie bei den älteren Verfahren, sondern die Körner (Größe etwa 10 bis 50 µm) bleiben so erhalten wie sie sind, sodass sie direkt wiederverwertet werden können. Die dienen zunächst zum Bau von Testbatterien verschiedener Größe, das ist bei Hoppecke intensiv in Untersuchung.
Das Lithium wird automatisch mit zurückgewonnen. Bei der Entladung der Zellen vor der Verarbeitung wandern die Ionen ins Kathodenmaterial und verbleiben auch nach dem Ablösen darin bis zur Beschichtung in den neuen Zellen. In diesen verschieben sie sich beim ersten Aufladen wieder in das Graphit. Wirtschaftlich interessant ist das Verfahren für Zellen mit hohen Kobalt- und Nickelanteilen. Man könnte im Prinzip auch Lithium-Eisenphosphat-Zellen verarbeiten, aber das lohnt nicht; Eisen gibt es genug. Auf der Anodenseite ist eine Rückgewinnung des Graphits und des Elektrolyts nicht wirtschaftlich, nur die der Kupferfolie. Im Moment laufen einige Schritte noch manuell, was den Vorteil bietet, dass man Fehler in den Schichten leicht analysieren kann (Bild 2). Im Zuge der ständig steigenden Mengen wird der Automatisierungsgrad kontinuierlich steigen. Bild 3 zeigt eine Verarbeitungs­anlage bei Erlos.

International: ReLieVe

Dieses Projekt – der Name bedeutet „Recycling of Li-Ion Batteries for Electric Vehicles“ – arbeitet grenzüberschreitend mit einem deutschen und zwei französischen Partnern: dem Chemie-Giganten BASF [7], Eramet, einem weltweit tätigen Bergbau- und Metallurgie-Unternehmen (Paris) [8], und Suez, einem führenden Anbieter für intelligentes und nachhaltiges Ressourcenmanagement (Paris) [9]. Das Volumen liegt bei 4,7 Mio. Euro, getragen von den drei genannten Mitgliedern sowie von EIT Raw Materials, einem von der EU initiierten und geförderten Konsortium, seinerseits getragen vom EIT (European Institute of Innovation and Technology), einer Einrichtung der Europäischen Union. Der Start war im Januar 2020, die Laufzeit ist zwei Jahre. Die Arbeiten reichen von der Sammlung alter Batterien bis zur Herstellung neuer Elektrodenmaterialien [10].
Laut einer Prognose von Suez sollen bis 2027 in Europa rund 50.000 Tonnen Batterien recycelt werden, bis 2035 könnte die Menge beinahe das 10-fache betragen. Suez wird die Altbatterien sammeln und demontieren, Eramet das Recyclingverfahren entwickeln und realisieren, BASF wird die Kathodenmaterialien herstellen. Die genaueren Details sind im Moment noch unter Verschluss.
Alles in allem: Die Abhängigkeit von knappen importierten Rohstoffen wird in Zukunft zwar nicht ganz enden, aber zumindest deutlich abnehmen.

 

Referenzen:
[1] http://www.finanzen.net/rohstoffe
[2] Lemme, H.: Das zweite Leben des Akkus. Elektronik 2019, Nr. 5, S. 38.
[3] https://www.b-tu.de/fg-physikalische-chemie/technologietransfer/ressourcen-und-recycling
[4] https://www.weckpluspoller.de/erlos-recycling
[5] https://www.hs-esslingen.de/personen/ralf-woerner/
[6] https://www.iip.kit.edu/1064_4894.php
[7] https://www.basf.com/global/de/media/news-releases/2019/09/p-19-325.html
[8] http://www.eramet.com/en/activities/innovate-design/relieve-project
[9] https://www.suez.com/en/news/press-releases/eramet-basf-and-suez-partner-to-develop-an-innovative-closed-loop-process
[10] https://www.elektroniknet.de/design-elektronik/power/lithium-ionen-akkus-recyceln-170133.html
[11] https://idw-online.de/de/news731168
[12] https://batterie-2020.de/projekte/
forschungsfelder/second-use-und-
recycling
[13] https://db.batterieforum-deutschland.de/