Den Kreis beim Batterie Recycling optimieren

Vor dem Hintergrund des weltweiten Umstiegs auf grüne Technologien und erneuerbare Energiequellen steigt die Nachfrage nach Batterien rasch an. Dies gilt insbesondere für Lithium-Ionen-Batterien, mit denen viele verschiedene Geräte und Anlagen betrieben werden, von Smartphones über Elektrofahrzeuge bis zu Energiespeichersystemen. Die zunehmende Abhängigkeit von Lithium-Ionen-Batterien erfordert jedoch eine nachhaltige Lieferkette für Batterien und eine Strategie für das Management der Abfälle, wenn immer mehr Batterien ihr Lebensende erreichen.

Lithium-Ionen-Batterien können hauptsächlich mit drei Verfahren recycelt werden: pyrometallurgische und hydrometallurgische Verfahren oder direktes Recycling. Es ist auch möglich, Teile dieser Prozess miteinander zu kombinieren. In den meisten Fällen muss eine Batterie vor dem Recycling vorbehandelt werden. Diese Vorbehandlung umfasst Entladung oder Inaktivierung, Demontage und Trennung.

Eine elektrische Entladung ist dann sinnvoll, wenn die Restenergie einer Lithium-Ionen-Batterie wirtschaftlich gespeichert werden kann. Anderenfalls muss die Batterie durch Eintauchen in eine inerte wässrige Lösung inaktiviert werden, um zu verhindern, dass sie sich entzündet. Entladene oder inaktivierte Batterien können von Hand auseinandergebaut werden, damit ihre Komponenten erhalten bleiben. Dieser Prozess ist jedoch zeitaufwendig und setzt die Arbeitskräfte dabei Gefahrstoffen aus. Das einfachste Demontageverfahren besteht darin, die Batterien zu schreddern oder zu zerkleinern. Dies geschieht oft in einem Vakuum oder einer inerten Atmosphäre. Eine unversehrte Trennung von Stromableitern und Batteriegehäuse ist bei diesem Verfahren jedoch ausgeschlossen. Dadurch steigen die Recyclingkosten in nachgelagerten Schritten.

Nach der Vorbehandlung werden die Lithium-Ionen-Batterien weiterverarbeitet, um wertvolle Metalle wie Lithium, Kobalt, Mangan, Kupfer, Nickel und Eisen zu extrahieren.

Bei pyrometallurgischen Verfahren müssen die Materialien hohen Temperaturen ausgesetzt werden. Dies geschieht in einer inerten Umgebung, um eine Verbrennung zu vermeiden. Dieser Prozess ist unkompliziert, skalierbar und effizient und eignet sich für die Rückgewinnung von Kobalt, Mangan, Kupfer, Nickel und Eisen. Allerdings ist er sehr energieintensiv und erzielt eine geringere Ausbeute an extrahiertem Lithium als andere Verfahren. Durch die Kombination pyrometallurgischer und hydrometallurgischer Verfahren kann eine höhere Reinheit der rückgewonnenen Metalle erreicht werden.

Bei hydrometallurgischen Verfahren werden die aktiven Materialien mithilfe einer wässrigen Lösung ionisiert. Dabei werden Metalle durch Auswaschen mit Säuren, Laugen oder bioorganischen Materialien entfernt. Dieses Verfahren ermöglicht eine präzise Rückgewinnung, eine höhere Produktreinheit und einen deutlich geringeren Energieverbrauch als pyrometallurgische Verfahren. Der Einsatz gefährlicher Chemikalien birgt jedoch Sicherheitsrisiken für Arbeitskräfte und Umwelt. Die Minderung dieser Risiken erfordert deshalb ein sorgfältiges Management der Abwasserlösungen und Techniken zur Abscheidung giftiger Gase.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren, bei denen das Kathodenmaterial in seine Elemente zerlegt wird, geht es beim direkten Recycling oder „Kathode-zu-Kathode-Recycling“ darum, das gebrauchte Material zu trennen und zu „verjüngen“. Dieser Ansatz wird angewendet, um die Kapazität von Lithium-Ionen-Batterien wiederherzustellen.

Direktes Recycling erfordert im Vergleich zur pyrometallurgischen und hydrometallurgischen Verfahren weniger Vorbehandlungsschritte und chemische Lösungsmittel. Mit diesem Verfahren können Produkte mit höherer Reinheit hergestellt werden. Dies verringert den Bedarf an neu abgebauten Rohstoffen und leistet einen Beitrag zu einer nachhaltigen Batterie-Kreislaufwirtschaft. Eine wesentliche Einschränkung beim direkten Recycling besteht darin, dass es für einen einzigen Kathodentyp geeignet ist. Aufgrund der fehlenden Standardisierung bei den Bauformen und der Zellchemie ist eine besonders sorgfältige Trennung der Komponenten eine entscheidende Voraussetzung für die erfolgreiche Implementierung des Prozesses.

Bioleaching (Bio-Laugung) ist ein neuartiges Recyclingverfahren, bei dem noch nicht sicher ist, ob es in großtechnischen Anlagen realisiert werden kann. Bei diesem Prozess werden bestimmte Batterieminerale mithilfe von Bakterien zurückgewonnen. Bioleaching wird erfolgreich in der Bergbauindustrie eingesetzt und kann hydrometallurgische und pyrometallurgische Verfahren ergänzen.

Die robotergestützte Demontage gebrauchter Batterien ist eine sich schnell entwickelnde Technologie mit vielversprechendem Potenzial. Dieses Verfahren automatisiert das Zerlegen der Batterien und steigert die Effizienz dieses Prozesses. Gefahren für Arbeitskräfte durch den Kontakt mit giftigen Batteriematerialien werden verringert. Trotz bedeutender Fortschritte sind bei der robotergestützte Demontage gebrauchter Batterien immer noch Herausforderungen zu bewältigen. Sie betreffen die unterschiedlichen Bauweisen der Batterien und nicht standardisierte Komponenten, beispielsweise flexible Kabel, die sich je nach Batterie an unterschiedlichen Stellen befinden. Um solch komplexe Aufgaben zu erledigen, werden fortschrittliche Algorithmen benötigt, die zu einem adaptiven und intelligenten Betrieb in der Lage sind. Um diese und andere komplexe Probleme bei der Demontage zu lösen, muss die Automatisierung weiter optimiert werden, insbesondere in Anbetracht des rasch wachsenden Bedarfs für ein funktionierendes Batterierecycling.

Effizientere Demontageverfahren und die Möglichkeit, ganze Komponenten zu verwerten, verringern den Bedarf an neuen Materialien für den Bau neuer Batterien. Dies führt zu einem kleineren CO₂-Fußabdruck der Batterieherstellung und erhöht gleichzeitig die Gesamtkapazität der Batterielieferkette.

Diese Recyclingverfahren ermöglichen zwar eine effektive Rückgewinnung der Batterieminerale aus Lithium-Ionen-Batterien, Bedenken hinsichtlich Umwelt- und Sicherheitsrisiken bleiben jedoch bestehen. Bei den chemischen Prozessen, die beim hydrometallurgischen Recycling zum Einsatz kommen, werden beispielsweise Säuren, starke Lösungsmittel, giftige Chemikalien und andere potenziell gefährliche Stoffe verwendet. Sie erfordern ein sorgfältiges Management, um Schäden für Mensch und Umwelt zu vermeiden. Darüber hinaus werden für bestimmte mechanische und chemische Recyclingverfahren hohe Temperaturen mit entsprechend hohem Energieverbrauch benötigt. Dies erhöht insgesamt den CO₂-Fußabdruck des Recyclingprozesses und lässt Bedenken aufkommen, wie seine Netto-Nachhaltigkeit tatsächlich ausfällt.

Hinzu kommt, dass die meisten Lithium-Ionen-Batterien am Ende ihrer Lebensdauer aus verschiedenen Gründen als gefährlicher Abfall eingestuft werden. Dies betrifft ihre chemische Zusammensetzung, Brandgefahren und negative Auswirkungen auf die Umwelt. Die Sicherheit der Arbeitskräfte hat bei der Demontage und Verarbeitung von Batterien oberste Priorität. Der Kontakt mit Giftstoffen sowie die bestehende Brand- und Explosionsgefahr erfordern die Einhaltung strenger Sicherheitsvorschriften. Die Bewältigung dieser Herausforderungen ist eine wichtige Voraussetzung, um das Batterierecycling langfristig effizienter, sicherer, umweltfreundlicher und wirtschaftlicher zu machen.

Um eine echte Kreislaufwirtschaft für Batterien zu erreichen, müssen die in der Batterieherstellung verwendeten Aktivmaterialien, Kunststoffe und Metallfolien nahezu vollständig zurückgewonnen werden. Dies geht über das herkömmliche Recycling hinaus und erfordert ein Umdenken bei der Konzeption, Verwendung und Entsorgung von Batterien. Ein nachhaltiges Batteriemanagement ist eine wichtige Voraussetzung für die Einrichtung eines Systems mit geschlossenen Kreisläufen und die Maximierung von Um- bzw. Weiternutzung und Recycling.

Ein Ansatz sind sogenannte Second-Life-Anwendungen, bei denen gebrauchte Batterien für weniger anspruchsvolle Anwendungen wie Energiespeichersysteme für erneuerbare Energien weiterverwendet werden. Dies verlängert die Lebensdauer der Batterien und verringert den Bedarf an neuen Batterien, wodurch die Nachfrage nach verarbeiteten Mineralen sinkt.

Richtlinien und Vorschriften spielen ebenfalls eine entscheidende Rolle, um den Kreis für Batterien zu schließen. Regierungen und Aufsichtsbehörden müssen Standards festlegen und Anreize schaffen, die eine ordnungsgemäße Batterieentsorgung, Recycling und Verwendung von recycelten Materialien in neuen Batterien fördern. Die Entwicklung sinnvoller Rechtsvorschriften erfordert die Zusammenarbeit von politischen Entscheidungsträgern, Branchenakteuren und Endnutzern, um ein nachhaltiges Batterie-Ökosystem zu fördern.

Die Batterien von Elektrofahrzeugen, vorwiegend Lithium-Ionen-Batterien, können mit den beschriebenen Verfahren recycelt werden. Größe, Gewicht und Komplexität von E-Fahrzeug-Batterien vervielfachen jedoch die Herausforderungen, die für eine effektive Rückgewinnung der Batterieminerale zu bewältigen sind.

Trotz Kapazitätsengpässen sind bei der Effektivität des Recyclings von E-Fahrzeug-Batterien dank der zuvor erwähnten Innovationen schnelle Verbesserungen festzustellen. Aufgrund der rasch wachsenden Zahl an Batterien, die künftig recycelt werden müssen, wird ein großtechnisches Batterierecycling zu einem immer wichtigeren Forschungsgebiet. Diese Menge wird proportional zur Rekordzahl der Elektrofahrzeuge steigen, die auf den Straßen unterwegs sind. Hinzu kommt noch die wachsende Bedeutung von Batterien als Energiespeicher.

In Pulverbehandlungsanlagen für Lithium-Ionen-Batterien werden wertvolle Materialien aus gebrauchten Batterien zurückgewonnen. Dazu werden die Batterien zerkleinert und zu einem Pulver umgewandelt. Diese Anlagen gewinnen immer mehr an Bedeutung für die Wiederverwendung von Materialien in neuen Batterien. In ihnen wird die aus den zerkleinerten Batterien übrig gebliebene sogenannte „schwarze Masse“ weiter in ihre Bestandteile zerlegt, um einen noch höheren Anteil an Batteriemineralen zurückzugewinnen. Dies wird üblicherweise durch eine hochintensive Wärmebehandlung wie Schmelzen oder Rösten (pyrometallurgisches Verfahren) oder durch chemisches Auswaschen (hydrometallurgisches Verfahren) erreicht. Die Wärmebehandlung ist zwar unkomplizierter, ergibt im Vergleich zum Auswaschen aber Komponenten von geringerer Reinheit. Daher werden häufig beide Verfahren kombiniert, um die jeweiligen Vorteile zu nutzen.

Pulverbehandlungsanlagen für das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien zeigen, dass fortschrittliche Recyclingtechnologien das Potenzial bieten, den Kreis in der Batterielieferkette schließen. Die Rückgewinnung von hochreinen Materialien in wiederverwendbaren Formen verringert den Bedarf an neu abgebauten Rohstoffen und verursacht weniger Umweltauswirkungen bei der Batterieherstellung.

In einer Welt, die zunehmend auf nicht-fossile Energiequellen setzt, ist das Recycling von Batterien von entscheidender Bedeutung für ein nachhaltiges Ressourcenmanagement. Trotz der raschen Fortschritte sowohl beim Prozess als auch bei den damit verbundenen Technologien sind noch erhebliche Herausforderungen zu bewältigen. Durch kontinuierliche Innovation und Zusammenarbeit baut die Branche jedoch zunehmend Systeme mit geschlossenen Kreisläufen auf, die den Wert von gebrauchten Batterien maximieren. Dieser Ansatz minimiert im Gegenzug die Umweltauswirkungen durch die Produktion neuer Batterien.