Batterie-Recycling – Probleme und Chancen

Mit dem rasanten Anstieg der Elektromobilität und der zunehmenden Verbreitung von Elektroauto Batterien steht die Welt vor neuen Herausforderungen und Chancen im Bereich des Batterierecyclings. Diese Entwicklung wirft wichtige Fragen über die effiziente und umweltfreundliche Entsorgung sowie das Recycling dieser Batterien auf. In diesem Artikel beleuchten wir die Herausforderungen und Chancen im Batterierecycling und stellen innovative Entwicklungen in der Batterietechnologie vor, die die Zukunft der Elektromobilität gestalten könnten.

Von Volta bis heute: Die Evolution der Batterietechnologie

Die Evolution der Batterietechnologie ist eine faszinierende Reise durch die Geschichte der Elektrizität. Beginnend mit Alessandro Voltas bahnbrechender Erfindung der Voltaischen Säule im Jahr 1800, die als erste kontinuierliche Quelle elektrischen Stroms gilt, hat sich die Batterietechnologie stetig weiterentwickelt. Voltas einfache, aber geniale Anordnung von Zink- und Kupferscheiben, getrennt durch mit Salzwasser getränkte Kartonstücke, ebnete den Weg für zukünftige Innovationen.

Im Jahr 1859 brachte Gaston Planté die Welt der Batterien mit seiner Erfindung der wiederaufladbaren Blei-Säure-Batterie einen großen Schritt voran. Diese Entwicklung eröffnete neue Möglichkeiten für die Speicherung und Wiederverwendung elektrischer Energie. Später, am Ende des 19. Jahrhunderts, führte Waldemar Jungner die Nickel-Cadmium-Batterie ein, die eine weitere wichtige Ergänzung im Bereich der wiederaufladbaren Batterien darstellte.

Der wahre Wendepunkt in der Batterietechnologie kam jedoch mit der Einführung der Lithium-Batterie in den 1970er Jahren. Diese Innovation, angetrieben durch die Arbeit von Michael Whittingham und später erweitert durch John B. Goodenough, revolutionierte die Welt der tragbaren Elektronik. Lithium-Ionen-Batterien boten eine höhere Energiedichte und eine längere Lebensdauer, was sie ideal für eine Vielzahl von Anwendungen machte, von Mobiltelefonen bis hin zu Elektroautos.

Grenzen und Herausforderungen von Lithium-Ionen-Akkus

Lithium-Ionen-Batterien, die heute eine zentrale Rolle in der Elektromobilität und tragbaren Elektronik spielen, stoßen trotz ihrer Fortschritte auf signifikante Grenzen. Eine dieser Grenzen ist die maximale Energiedichte. Wissenschaftlich ist die Energiedichte, die in einer Lithium-Batterie pro Kilogramm gespeichert werden kann, auf etwa 260 Wattstunden beschränkt. Diese Beschränkung wirkt sich direkt auf die Leistungsfähigkeit und Reichweite von Elektrofahrzeugen aus.

Ein weiteres gravierendes Problem ist die Verfügbarkeit der für die Herstellung dieser Batterien benötigten Rohstoffe. Lithium, Nickel und Cadmium sind nicht unbegrenzt verfügbar und ihre Gewinnung ist oft mit schwerwiegenden Umwelt- und Gesundheitsrisiken verbunden. Die Bergbauprozesse für diese Materialien sind energieintensiv und umweltschädlich, häufig gekennzeichnet durch gefährliche Arbeitsbedingungen.

Zwei Wege zur Erreichung der Elektrifizierungsziele

Diese Herausforderungen verdeutlichen die Dringlichkeit, effiziente Recyclingmethoden zu entwickeln und nachhaltigere Batterietechnologien zu erforschen. Um die benötigte Elektrorevolution zu realisieren und eine nachhaltige Zukunft der E-Mobilität zu sichern, ist es unerlässlich, sowohl bessere Technologien zu entwickeln als auch ein effizientes Recycling-System zu etablieren. Nur so können wir die wachsende Nachfrage nach Batterien für E-Autos decken und gleichzeitig die negativen Auswirkungen auf unseren Planeten und seine Bewohner minimieren.

Recycling von E-Auto Batterien - Aktueller Industriestandard

Während die Anzahl der Elektroautos auf den Straßen weltweit rasant ansteigt, wächst parallel dazu die Notwendigkeit, effiziente Recyclingmethoden für ihre Batterien zu entwickeln. Obwohl heute noch nicht viele E-Auto Batterien zum Recycling anstehen, ist es nur eine Frage der Zeit, bis eine Welle ausgedienter Batterien die Recyclingindustrie erreicht.

Wertvolle Inhaltsstoffe einer Lithium-Ionen-Batterie

Eine typische E-Auto Batterie enthält neben Aluminium, Stahl und Kunststoffen auch wichtige Metalle wie Lithium, Mangan, Kobalt und Nickel. Volkswagen gibt beispielsweise an, dass ein 400 Kilogramm schwerer Lithium-Ionen-Akku mit 50 kWh Kapazität etwa 8 Kilogramm Lithium, 12 Kilogramm Mangan, 9 Kilogramm Kobalt, 41 Kilogramm Nickel und 71 Kilogramm Grafit enthält. Zusätzlich sind im Gehäuse 22 Kilogramm Kupfer, 126 Kilogramm Aluminium und 3 Kilogramm Stahl enthalten, sowie 37 Kilogramm Elektrolyt und 21 Kilogramm Kunststoffe, die ebenfalls recycelt werden können.

Aktuelle Methoden des Batterierecyclings

Das Recycling von Batterien aus Elektrofahrzeugen hat sich zu einem komplexen, mehrstufigen Prozess entwickelt, der darauf abzielt, eine hohe Verwertungsquote der enthaltenen Materialien zu erreichen. Der Prozess beginnt mit der manuellen Demontage der Batterien, bei der die verschiedenen Komponenten sorgfältig getrennt werden. Diese Demontage ist entscheidend, da sie den Zugang zu den wertvollen Materialien ermöglicht und die Grundlage für die nachfolgenden Schritte bildet.

Nach der Demontage erfolgt die Sortierung und Zerkleinerung der Materialien. Das Schreddern ist wesentlich, um die verschiedenen Metalle und anderen Materialien effektiv zu trennen und für die Rückgewinnung vorzubereiten. Der geschredderte Batterieschrott wird dann verschiedenen Recyclingverfahren unterzogen, die sich in zwei Hauptkategorien einteilen lassen: die pyrometallurgischen und die hydrometallurgischen Prozesse.

Bei den pyrometallurgischen Prozessen werden die Materialien unter hohen Temperaturen eingeschmolzen, um bestimmte Metalle wie Nickel und Kobalt zu extrahieren. Diese Methode ist energieintensiv, aber effektiv für die Gewinnung bestimmter Metalle. Im Gegensatz dazu lösen die hydrometallurgischen Prozesse die Metalle in wässrigen Lösungen durch Zugabe von Chemikalien auf.

Probleme des Akku-Recycling

Obwohl das Recycling von Akkus aus Elektrofahrzeugen zunehmend an Bedeutung gewinnt, stehen die Beteiligten vor einer Reihe von Herausforderungen, die den Prozess komplizieren und die Effizienz beeinträchtigen können.

• Komplexität der Batteriezusammensetzung: Moderne Lithium-Ionen-Akkus bestehen aus einer Vielzahl von Materialien, die eng miteinander verbunden sind. Diese Komplexität erschwert die Trennung und Rückgewinnung der einzelnen Bestandteile.
• Fehlende Standardisierung: Der Aufbau von Batteriezellen variiert je nach Hersteller, was eine standardisierte, serientaugliche Demontage verhindert. Verschiedene Designs und Technologien erschweren die Entwicklung eines einheitlichen Recyclingprozesses.
• Energieintensive Prozesse: Viele der aktuellen Recyclingmethoden, insbesondere die pyrometallurgischen Verfahren, sind energieintensiv. Dies beeinträchtigt die Umweltbilanz des erhöht die Kosten und somit die Rentabilität.
• Potenzieller Verlust wertvoller Materialien: Die Handhabung und Verarbeitung von Batterien birgt Risiken, einschließlich der Freisetzung schädlicher Chemikalien und der Gefahr von Bränden oder ätzender Flusssäure. Zudem müssen umweltfreundliche Methoden zur Entsorgung von Nebenprodukten des Recyclingprozesses entwickelt werden.
• Umweltschutz und Sicherheitsbedenken: Nutze die Rekuperationsfunktion deines E-Autos effektiv. Durch das Zurückgewinnen von Energie beim Bremsen oder im Schubbetrieb kannst du die Reichweite spürbar erhöhen.

Chancen im Batterierecycling

Die zunehmende Bedeutung des Batterierecyclings bietet vielfältige Chancen, sowohl in ökologischer als auch in ökonomischer Hinsicht. Während wir auf die technologische Innovation warten, liegt eine Schlüsselchance in der Schaffung einer integrierten Recycling-Wertschöpfungskette.

In den letzten Jahren gab es einen Trend zur Konsolidierung und Integration in der Branche. Automobilhersteller zeigen zunehmend Interesse an End-to-End-Recyclinglösungen, anstatt verschiedene Akteure entlang der Wertschöpfungskette selbst zu managen. Integrierte Unternehmen können in drei Archetypen unterteilt werden: vertikal integrierte Recycler, Recycler mit branchenübergreifenden Partnerschaften und In-house OEM-Recycler bei Zellherstellern und Automobilherstellern.

Beispiele für solche integrierten Ansätze sind Unternehmen wie Umicore, die Partnerschaft zwischen Veolia und Solvay sowie das Joint Venture zwischen Heritage Battery Recycling, Retriev Technologies und Battery Solutions. Diese Entwicklungen zeigen, dass die Branche auf dem Weg ist, effiziente und nachhaltige Recyclinglösungen zu etablieren, die den gesamten Lebenszyklus von Batterien abdecken.

Tesla Co-Founder gründet Recycling Anlagen für E-Auto-Akkus

Auch der Co-Founder von Tesla hat frühzeitig den Trend entdeckt und 2017 Redwood Materials gegründet. Nach seinem Ausscheiden aus Tesla gründete JB Straubel Redwood Materials, ein Unternehmen, das sich auf das Recycling von Batterien spezialisiert hat. Mit über einer Milliarde Dollar an Risikokapital ausgestattet, hat Redwood Materials bereits eine bedeutende Anlage in Nevada errichtet und eine weitere in South Carolina fertiggestellt.

Das Hauptziel von Redwood Materials ist die Rückgewinnung wertvoller Metalle wie Kobalt, Lithium und Nickel aus gebrauchten Batterien, um diese für die Herstellung neuer Kathoden und Anoden zu nutzen. Straubel betrachtet das Batterierecycling als einen kritischen Bestandteil der Energiewende und als Schlüssellösung für die mit der zunehmenden Elektrifizierung verbundenen Nachhaltigkeitsprobleme.

Darüber hinaus produziert Redwood Materials in seiner Anlage in South Carolina Anoden und Kathoden, die für die Batterieherstellung unerlässlich sind. Ein besonderer Aspekt des Unternehmens ist die Fähigkeit, einen erheblichen Anteil des raffinierten Materials – nach eigenen Angaben 95 Prozent der Schlüsselmetalle für Batterien – wieder in den Batterieherstellungsprozess zu integrieren.

Innovative Entwicklungen im Batterierecycling

Chalmers University of Technology in Schweden

Während die Herausforderungen im Batterierecycling beträchtlich sind, eröffnen sich gleichzeitig spannende Chancen durch bahnbrechende Innovationen. Ein herausragendes Beispiel für Innovation im Batterierecycling ist die Arbeit der Forscher an der Chalmers University of Technology in Schweden. Dort wurde ein Verfahren entwickelt, das eine nahezu vollständige Rückgewinnung der in Elektroautobatterien enthaltenen Materialien ermöglicht.

Dieses Verfahren kann beeindruckende 100 Prozent des Aluminiums und 98 Prozent des Lithiums zurückgewinnen. Der Schlüssel zum Erfolg liegt in der Umkehrung des herkömmlichen Prozesses, wobei Lithium und Aluminium zuerst extrahiert werden. Dies minimiert den Verlust wertvoller Rohstoffe wie Nickel, Kobalt und Mangan. Besonders bemerkenswert ist der Einsatz von Oxalsäure, einem umweltfreundlichen Lösungsmittel, das unter anderem auch im Spinat vorkommt.

Partnerschaft zwischen BASF und Stena Recycling

Doch nicht nur technologische Entwicklungen bereiten Hoffnung, sondern auch die Partnerschaft zwischen BASF und Stena Recycling. Diese Zusammenarbeit hat das Ziel, eine effiziente und nachhaltige Recyclingkette für Elektrofahrzeugbatterien in Europa zu etablieren. Stena Recycling wird sich um die Sammlung und Vorbehandlung von ausgedienten Batterien und Batterieproduktionsschrott kümmern. Diese Materialien werden dann in einer spezialisierten Anlage in Schweden verarbeitet, um die wertvollen Metalle wie Lithium, Nickel und Kobalt zurückzugewinnen.

BASF wird diese zurückgewonnenen Metalle in ihrer Anlage in Deutschland weiterverarbeiten, um neue Materialien für die Herstellung von Batterien zu produzieren. Diese Partnerschaft ist ein bedeutender Schritt hin zu einer Kreislaufwirtschaft, in der Batteriematerialien wiederverwendet und recycelt werden, anstatt neue wertvolle Rohstoffe abzubauen. Dies trägt nicht nur zur Reduzierung des CO2-Fußabdrucks bei, sondern unterstützt auch die Nachhaltigkeit in der gesamten Lieferkette für Elektrofahrzeugbatterien.

Forschung und Entwicklung in der Batterietechnologie

Obwohl das Recycling von Batterien eine wichtige Rolle in der Bewältigung der heutigen Umweltprobleme spielt, dürfen wir den Blick auf die Zukunft nicht verlieren. Die Forschung und Entwicklung neuer Batterietechnologien ist entscheidend, um die Herausforderungen von morgen zu meistern. Seit der Einführung der Lithium-Batterie in den 1970er Jahren gab es kaum bahnbrechende Entwicklungen in Bezug auf die grundlegenden Eigenschaften der Batterien.

Ein zentrales Ziel der aktuellen Forschung ist die Erhöhung der Energiedichte. Die wissenschaftliche Grenze für die Energiespeicherung in einer Batterie eines bestimmten Gewichts liegt derzeit bei etwa 260 Wattstunden pro Kilogramm. Diese Grenze stellt eine Herausforderung dar, da beispielsweise eine erhebliche Erhöhung der Akkulaufzeit eines Smartphones eine entsprechend schwerere Batterie erfordern würde.

Ein weiteres Hauptziel ist die Verringerung der Ladezeiten. Schnellere Ladevorgänge sind entscheidend für die Benutzerfreundlichkeit und Akzeptanz von Elektrofahrzeugen und anderen batteriebetriebenen Geräten. Die Forschung konzentriert sich daher auf die Entwicklung von Batterien, die nicht nur eine höhere Energiedichte aufweisen, sondern auch schneller aufgeladen werden können.

Solid-State-Batterien

Eine der vielversprechendsten Entwicklungen in der Batterietechnologie sind die Solid-State-Batterien. Im Unterschied zu konventionellen Batterien, die auf flüssige oder gelartige Elektrolyte setzen, verwenden Solid-State-Batterien feste Elektrolyte, die häufig aus Keramik bestehen. Diese Innovation bietet nicht nur eine höhere Leitfähigkeit, sondern auch signifikante Sicherheitsvorteile. Keramik ist chemisch inert und extrem temperaturstabil, wodurch das Risiko von thermischem Durchgehen und damit verbundenen Gefahren wie Bränden oder Explosionen eliminiert wird.

Solid-State-Batterien versprechen eine Energiedichte, die rund 100% höher ist als die von herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien. Dies liegt vor allem daran, dass sie keinen permanenten Anodenraum benötigen, was das Gewicht um fast 50% reduziert. Somit könnte ein Elektrofahrzeug, das heute eine Reichweite von 500 Kilometern hat, mit der gleichen Batteriegewichtung eine Reichweite von 1.000 Kilometern erreichen. Dies würde die Reichweitenangst, ein häufiges Argument gegen das Elektroauto, nahezu eliminieren.

Lithium-Schwefel-Batterien

Eine weitere spannende Entwicklung sind Lithium-Schwefel-Batterien. Diese Batterien nutzen Schwefel als Kathodenmaterial, das sowohl leicht ist als auch eine hohe Kapazität zur Aufnahme von Lithium-Ionen bietet. Prototypen von Lithium-Schwefel-Batterien haben eine Energiedichte von 550 Wh/kg demonstriert – mehr als doppelt so hoch wie die aktuellen Lithium-Ionen-Batterien. Schwefel ist zudem ein reichlich vorhandenes und kostengünstiges Element.

Allerdings gibt es noch Herausforderungen, insbesondere was die Lebensdauer betrifft. Während der Lade- und Entladezyklen neigt der Schwefel dazu, sich aufzulösen, was zu einem schnellen Leistungsabfall führt. Einige frühe Prototypen haben nur eine Lebensdauer von 10 bis 30 Ladezyklen gezeigt. Jedoch werden Fortschritte gemacht, um diese Nachteile zu reduzieren, und es gibt bereits Lithium-Schwefel-Batterien, die unter idealen Bedingungen Hunderte von Ladezyklen überstehen.

Eine Firma, welche in diesem Bereich besonders hervorsticht, ist Lyten. Das Startup aus Kalifornien baut eine automatisierte Produktionslinie in San Jose, speziell für die Herstellung von Lithium-Schwefel-Batterien. Lyten plant schon in diesem Jahr mit dem Versand erster Produkte zu beginnen. Die Lyten Lithium-Schwefel-Batterien versprechen eine neue Realität in der Batterietechnologie: eine Kathode ohne Nickel, Mangan und Kobalt, gebaut mit reichlich verfügbaren Materialien. Weitere Informationen hierzu auf der Webseite von Lyten.

Fazit

Wir stehen an einem kritischen Punkt auf dem Weg zu einer nachhaltigeren Zukunft der Elektromobilität und Energiespeicherung. Einerseits ist das Recycling von Batterien entscheidend, um Umweltauswirkungen zu minimieren und wertvolle Ressourcen zu schonen. Ein zentrales Problem im Bereich des Batterierecyclings ist jedoch die fehlende Standardisierung. Der variierende Aufbau von Batteriezellen je nach Hersteller erschwert einen standardisierten, serientauglichen Recyclingprozess.

Andererseits bieten neue Entwicklungen in der Batterietechnologie, wie Solid-State-Batterien und Lithium-Schwefel-Batterien, vielversprechende Möglichkeiten, die Leistungsfähigkeit und Nachhaltigkeit von Batterien zu verbessern. Diese Innovationen könnten die Welt der Elektromobilität und der Energiespeicherung revolutionieren, stehen aber noch am Anfang ihrer Entwicklung. Ihre Massentauglichkeit und langfristige Nachhaltigkeit sind noch nicht vollständig gesichert.

Wir befinden uns an der Schwelle zu potenziell bahnbrechenden Fortschritten in der Batterietechnologie, doch es bleibt eine gewisse Ungewissheit. Die Zukunft wird zeigen, inwieweit diese neuen Technologien die Versprechen der Elektromobilität und nachhaltigen Energiespeicherung erfüllen können. Es ist eine Zeit großer Herausforderungen, aber auch enormer Möglichkeiten.