Die Nachhaltigkeit einer Lithium-Ionen-Batterie in E-Autos hängt mit ihrem End-of-Life-Management zusammen, also Second Life und Recycling.

Die Nachhaltigkeit einer Lithium-Ionen-Batterie in E-Autos hängt mit ihrem End-of-Life-Management zusammen, also Second Life und Recycling. (Bild: AdobeStock 178683286, malp)

Lithium-Ionen-Batterien altern kalendarisch und mit jedem Lade- und Entladezyklus. Ursachen dafür sind z.B., dass die SEI-Schicht (solid electrolyte interphase) immer mehr Lithiumionen aufnimmt, die dann nicht mehr für die Zyklen zur Verfügung stehen und dass ständiges Schrumpfen und Anschwellen der Zellen zu mechanischen Beschädigungen führt. Ab einem bestimmten State of Health (SOH) ist die Batterie nicht mehr für den Einsatz in einem E-Auto geeignet. Egal ob sie noch einmal „aufgefrischt“ wird, für einen gewissen Zeitraum ein zweites Leben instationären Energiespeichern verbringt oder nicht, sie muss recycelt werden – das ist gesetzlich vorgeschrieben (Bild 1).

Bild 1: Ausgediente Lithium-Ionen-Batterien können unterschiedliche Wege gehen, von der Wiederaufbereitung über Second Life bis hin zum Recycling.
Bild 1: Ausgediente Lithium-Ionen-Batterien können unterschiedliche Wege gehen, von der Wiederaufbereitung über Second Life bis hin zum Recycling. (Bild: IDTechEx)

Wie groß ist der Markt für Recycling von Batterien?

Das heißt, dass letztlich jede Hochvolt-Batterie, die heute oder in Zukunft in einem Elektrofahrzeug auf die Straße kommt, im Recycling landet. Entsprechend hoch sind die Prognosen für das zukünftige Recycling-Marktvolumen: 11,07 Milliarden US-Dollar schwer soll der Markt in 2027 sein (Bild 2).

Bild 2: Da durch die Elektromobilität auch immer mehr recycling-fähige Altbatterien zur Verfügung stehen werden, wächst der Recycling-Markt in den nächsten Jahren kräftig.
Bild 2: Da durch die Elektromobilität auch immer mehr recycling-fähige Altbatterien zur Verfügung stehen werden, wächst der Recycling-Markt in den nächsten Jahren kräftig. (Bild: Statista)

Noch weiter nach vorn reichende Prognosen schätzen, dass bis 2042 ein Äquivalent von etwa 3000 GWh recycelt werden. Beinahe zwei Drittel davon kommen aus dem Pkw-Bereich, gefolgt vom Herstellungs-Schrott während der Batterieproduktion und dem Lkw-Sektor (Bild 3).

Bild 3: Langfristige Entwicklung des Batterierecycling-Marktes. Bis 2042 soll ein Äquivalent von 3000 GWh recycelt werden, wobei etwa zwei Drittel aus dem Pkw-Bereich kommen.
Bild 3: Langfristige Entwicklung des Batterierecycling-Marktes. Bis 2042 soll ein Äquivalent von 3000 GWh recycelt werden, wobei etwa zwei Drittel aus dem Pkw-Bereich kommen. (Bild: IDTechEx)

E-Mobility: Batterie und Sicherheit

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(Bild: AdobeStock_277540900)

Wie entstehen bessere E-Auto-Batterien und sind sie sicher? Bewährte und neue Batterietechnologien von Entwicklung bis Recycling, Brandschutz von Simulation über Materialien bis Batteriemanagement und Safety-Konzepten, sowie Testverfahren von EMV bis Sicherheit. Die Technologien dahinter finden Sie hier.  

Welche Rohstoffe werden beim Batterie-Recycling zurückgewonnen?

Die beim Batterie-Recycling zurückgewonnenen Rohstoffe sind hauptsächlich Aluminium, Kupfer, Mangan, Lithium, Nickel und Kobalt. Entsprechend unterschiedlich fällt der sogenannte Bergungswert bei verschiedenen Batterie-Typen aus (Bild 4). Am niedrigsten ist der Wert bei Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP) mit etwa 15 US-Dollar je kWh. NCA (Nickel-Cobalt-Aluminium) und NCM811 (Nickel-Cobalt-Manganese) liegen in etwa gleich auf bei ca. 25 US-Dollar je kWh. Mit steigendem Kobalt-Gehalt steigt auch der Bergungswert der Batterie und liegt für NCM622 etwas über 30 US-Dollar je kWh und für NCM111 bei etwas über 40 US-Dollar je kWh.

Bild 4: Je höher der Kobalt-Anteil in der Batterie, desto höher ist auch der Bergungswert für den jeweiligen Batterietyp.
Bild 4: Je höher der Kobalt-Anteil in der Batterie, desto höher ist auch der Bergungswert für den jeweiligen Batterietyp. (Bild: Statista)

Wird Kobalt aus Lithium-Ionen-Batterien verschwinden?

Aktuelle Prognosen zeigen, dass Batterietypen wie LFP, NCA und NCM111 bis 2040 komplett vom Markt verschwinden werden. Auch der Anteil der NMC622-, NMC433- und NMC532-Typen geht bis 2050 stark zurück. Nickelreiche Batterie-Typen wie NCM811 und NMC955 sollen schon ab etwa 2040 den Markt beherrschen (Bild 5).

Bild 5: Batterietypen wie LFP, NCA und NCM111 sollen nahezu komplett vom Markt verschwinden. Bis 2050 werden stark nickelhaltige Batterien den Markt beherrschen.
Bild 5: Batterietypen wie LFP, NCA und NCM111 sollen nahezu komplett vom Markt verschwinden. Bis 2050 werden stark nickelhaltige Batterien den Markt beherrschen. (Bild: Statista)

Schwerpunktthema: E-Mobility

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(Bild: Adobe Stock, Hüthig)

In diesem Themenschwerpunkt „E-Mobility“ dreht sich alles um die Technologien in Elektrofahrzeugen, Hybriden und Ladesäulen: Von Halbleitern über Leistungselektronik bis E-Achse, von Batterie über Sicherheit bis Materialien und Leichtbau sowie Test und Infrastruktur. Hier erfahren Sie mehr.

Nicht aus den Augen verlieren darf man dabei Graphit, zumal Prognosen einen Bedarf von beinahe 4,6 Millionen Tonnen für 2050 vorhersagen, während z.B. in 2018 die jährliche Produktion nur bei 930.000 Tonnen lag.

Warum es sich für Unternehmen lohnt, Li-Ionen-Batterien zu recyclen

Batterierecycling wird neben den gesetzlichen Vorschriften auch für viele Unternehmen zunehmend interessant, da die Nachfrage nach Rohmaterialien für die Batterieherstellung sehr groß ist. Recycling trägt zur Sicherheit der Versorgung mit Rohmaterialien bei, zumal die Materialpreise sehr volatil sind und sich gerade beim Bergbau ökologische und beim Kobalt-Bergbau auch ethische Fragen stellen. Immerhin bezieht die Batterieindustrie den überwiegenden Anteil an Kobalt aus der DR Kongo, einer Region, in der Kinderarbeit keine Seltenheit ist. In 2019 wurden 100.000 Tonnen Kobalt in der DR Kongo produziert, gefolgt von Russland und Australien mit etwas weniger als 10.000 Tonnen. Aber allem voran lohnt sich mittlerweile der Ausbau der Recycling-Industrie wirtschaftlich immer mehr, da mit immer mehr elektrifizierten Fahrzeugen auch genug recycling-fähige Altbatterien zur Verfügung stehen.

Mit immer weiter sinkenden Batteriekosten und immer weniger Kobaltgehalt gibt es allerdings auch Bedenken hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit des Batterierecyclings. Hinzu kommt der sehr hohe Aufwand für Logistik bei der Rücknahme der Batterien und die sehr zeitintensive Zerlegung der Batteriespeicher. Bild 6 zeigt, in welchen Regionen Recycling-Unternehmen für Lithium-Ionen-Batterien angesiedelt sind und in Bild 7 gibt einen Überblick, um welche Firmen es sich dabei handelt. Auch OEMs wie BMW, Renault, Volkswagen und Tesla sind hier mit vertreten. Wie schon in Bild 6 zu sehen, ist Europa sehr aktiv beim Ausbau der Batterierecycling-Aktivitäten. Mindestens sechs neue Recycling-Fabriken sind in Planung (Niederlande, Finnland, Serbien, Polen und zwei in Schweden), siehe Bild 8.

Welche Recycling-Verfahren für Li-Ionen-Batterien gibt es?

Doch wie läuft das Batterierecycling ab (Bild 9)? Beim mechanischen Recycling werden die Batterien zunächst demontiert. Da es viele unterschiedliche Pack-Designs gibt, läuft dieser Prozess meist manuell ab und ist entsprechend zeitintensiv. Danach erfolgt die Trennung der wertvollen Rohstoffe von Folien und Gehäusen. Die Materialien werden geschreddert, zermahlen und weiter zerkleinert, was meist in einer inerten Atmosphäre erfolgt.

Mittels Pyrolyse brennt schließlich der Elektrolyt ab und die Bindemittel zersetzen sich. Eine Auflösung in Lösemittel entfernt die Elektroden und behält die Folien zurück. Dies lässt sich mit einer Ultraschallreinigung und Rühren kombinieren, um die Rückgewinnung der Elektrodenmaterialien noch zu verbessern. Da die Elektrodenmaterialien aus Pulvern im Nanometer- und Mikrometer-Bereich bestehen, lassen sie sich auch durch Sieben von größeren Fragmenten von Stromabnehmern, Gehäusen und Separatoren trennen. Weitere Trennungsverfahren sind die Schaumflotation, die hydrophobes und hydrophiles Material trennen kann, sowie die Separation mittels Schwerkraft durch Zentrifugen, die Materialien abhängig von ihrem Gewicht trennt.

Das pyrometallurgische Recycling nutzt hohe Temperaturen zur Rückgewinnung der Rohstoffe. Typischerweise geschieht dies mit einem Lichtbogen oder in einem Schachtofen. Dabei entstehen Metalllegierungen und ein Schlackestrom, wobei die Schlacke Lithium, Mangan und Aluminium enthält.

Bild 9: Mögliche Recycling-Abläufe, um die Rohmaterialien aus Lithium-Ionen-Batterien zurückzugewinnen. Das direkte Recycling ist ein noch sehr junger Ansatz, der aber als besonders nachhaltig gilt.
Bild 9: Mögliche Recycling-Abläufe, um die Rohmaterialien aus Lithium-Ionen-Batterien zurückzugewinnen. Das direkte Recycling ist ein noch sehr junger Ansatz, der aber als besonders nachhaltig gilt. (Bild: IDTechEx)

Hydrometallurgie zur Rückgewinnung der Metalle

Beide Verfahren erfordern eine hydrometallurgische Weiterverarbeitung um die einzelnen Metalle zurückzugewinnen. Dieser Prozess beginnt mit dem Auslaugen, das aktive Materialien unter Verwendung anorganischer Säuren wie HCl oder H2SO4 auflöst. Höhere Temperaturen erhöhen dabei die Löslichkeit und verkürzen die Reaktionszeiten, während der Einsatz von Reduktionsmitteln die Effizienz des Prozesses verbessern.

Bei der folgenden Lösungsmittel-Extraktion wird eine organische Säure verwendet, um Metalle über eine Kationen-Austauschreaktion selektiv zu extrahieren. Diese Methode nutzt die unterschiedlichen Löslichkeiten der Metalle und ist besonders wichtig für Nickel und Kobalt. Eine anschließende Niederschlags-Reaktion erzeugt schließlich einen Feststoff in Lösung. Dieser entsteht durch Zugabe einer Reagenz (z.B. –OH), durch Verdampfung oder pH-Wert- bzw. Temperaturänderung.

Der letzte Schritt der Rückgewinnung der Metalle ist die Elektrolyse. Dabei scheiden sich die Metalle auf einer Kathode ab, indem durch Stromfluss eine Redoxreaktion erzwungen wird.

Warum direktes Batterie-Recycling als besonders nachhaltig gilt

Das sogenannte direkte Recycling ist ein noch recht junger Recycling-Ansatz, an dem derzeit intensiv geforscht und entwickelt wird. Der Prozess gilt als besonders nachhaltig. Dabei wird die Batterie demontiert, teilweise geschreddert, der Elektrolyt wird zurückgewonnen, die Kathoden- und Anoden-Materialien werden separiert. Dabei entstehen „Carbon Black“ und PVDF (Polyvinylidenfluorid), die schließlich entfernt werden. Danach wird die Kathode wieder mit Lithium versetzt und geht direkt zurück in die Batterieherstellung.

Welche Vorteile bieten neue Recycling-Technologien?

Aus Batterieabfällen bis zu 70 Prozent des Lithiums zurückgewinnen, ohne dass korrosive Chemikalien, hohe Temperaturen oder eine vorherige Sortierung der Materialien erforderlich sind? Dies ermöglicht ein am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickeltes Recyclingverfahren, das mechanische Prozesse und chemische Reaktionen verbindet. Die Methode erlaubt ein kostengünstiges, energieeffizientes und umweltverträgliches Recycling unterschiedlicher Lithium-Ionen-Batterien. Die Methode nutzt mechanische Prozesse und chemische Reaktionen, um metallische Verbundwerkstoffe mit wasserlöslichen Lithiumverbindungen zu erzeugen. Das Verfahren läuft bei Zimmertemperatur und -druck ab und kann leicht im industriellen Maßstab genutzt werden. „Das Verfahren eignet sich zur Rückgewinnung von Lithium aus Kathodenmaterialien unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung und damit für viele verschiedene marktübliche Lithium-Ionen-Batterien“, erklärt Dr. Oleksandr Dolotko vom IAM-ESS des KIT und vom HIU, Hauptautor der Publikation.

Die globale Herausforderung des Batterierecyclings

Die Welt des Batterierecyclings wird zunehmend von innovativen Start-ups und fortschrittlichen Technologien geprägt, die das Potenzial haben, die Branche grundlegend zu verändern. Diese Unternehmen bringen frische Ideen und unkonventionelle Ansätze in ein Gebiet, das bisher von traditionellen Methoden dominiert wurde. Ihr Fokus liegt dabei nicht nur auf der Effizienzsteigerung und Kostensenkung, sondern auch auf der Entwicklung umweltfreundlicherer Prozesse, die den ökologischen Fußabdruck des Recyclings weiter reduzieren.

Eines der Hauptanliegen moderner Start-ups im Bereich des Batterierecyclings ist die Optimierung der Materialrückgewinnung. Traditionelle Recyclingmethoden, wie die pyrometallurgische Verarbeitung, sind oft energieintensiv und verursachen erhebliche Emissionen. Im Gegensatz dazu setzen viele Start-ups auf die Hydrometallurgie, bei der chemische Lösungen verwendet werden, um wertvolle Metalle aus den Batterien zu extrahieren. Diese Methode ermöglicht eine höhere Rückgewinnungsrate von Metallen wie Lithium, Kobalt und Nickel und reduziert gleichzeitig die Umweltauswirkungen.

Was ist Direct Recycling und warum gilt es als nachhaltig?

Ein weiteres vielversprechendes Innovationsfeld ist das direkte Recycling, bei dem Batteriematerialien ohne vorherige chemische Verarbeitung wiederverwendet werden. Diese Methode spart Energie und minimiert den Abfall, indem sie die Struktur der Batteriematerialien erhält. Start-ups, die sich auf dieses Verfahren spezialisiert haben, entwickeln Technologien, die es ermöglichen, Batterien wieder aufzubereiten und sie direkt in neuen Produkten zu verwenden. Diese „Second-Life“-Anwendungen könnten in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt werden, von stationären Energiespeichersystemen bis hin zu neuen Fahrzeugbatterien.

Die Anwendung von Künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen spielt ebenfalls eine immer größere Rolle im Batterierecycling. Start-ups nutzen diese Technologien, um den Recyclingprozess zu optimieren und effizienter zu gestalten. Beispielsweise können Algorithmen zur Erkennung und Sortierung von Batterien beitragen, indem sie Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung oder im Zustand der Batterien erkennen. Diese Automatisierung erhöht die Genauigkeit und Geschwindigkeit des Recyclings erheblich und reduziert gleichzeitig die Kosten.

Neben diesen technologischen Innovationen sind Start-ups auch Pioniere in der Schaffung von Kreislaufwirtschaftsmodellen, die über das traditionelle Recycling hinausgehen. Sie entwickeln Plattformen und Netzwerke, die es ermöglichen, Batterien nach ihrer ersten Lebensdauer effizient zu sammeln, zu recyceln und wiederzuverwenden. Diese ganzheitlichen Ansätze fördern die Nachhaltigkeit und schaffen gleichzeitig wirtschaftliche Anreize für Unternehmen, ihre Batterien zurück in den Kreislauf zu bringen.

Logistische Hürden und innovative Lösungen

Ein zentrales Hindernis beim Recycling von Lithium-Ionen-Batterien ist die Logistik. Die Sammlung und der Transport gebrauchter Batterien sind aufgrund ihrer Größe, ihres Gewichts und der potenziellen Gefahren komplex und teuer. Vor allem in ländlichen oder schwer zugänglichen Gebieten stellt die sichere Handhabung eine große Herausforderung dar. Die Batterien müssen oft über weite Strecken transportiert werden, was hohe Kosten verursacht und das Risiko von Unfällen erhöht, bei denen giftige Substanzen freigesetzt werden könnten.

Ein weiteres logistisches Problem ist die Lagerung. Lithium-Ionen-Batterien neigen dazu, unter bestimmten Bedingungen zu überhitzen, was zu Bränden oder sogar Explosionen führen kann. Daher müssen sie unter strengen Sicherheitsvorkehrungen gelagert werden, was den Prozess zusätzlich verkompliziert. In vielen Teilen der Welt fehlen jedoch geeignete Lagerstätten, die diesen Anforderungen gerecht werden, was zu einem hohen Risiko für Mensch und Umwelt führt.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, sind innovative Lösungen erforderlich. Eine vielversprechende Entwicklung ist der Einsatz autonomer Fahrzeuge und Drohnen zur Sammlung und zum Transport von Batterien. Diese Technologien könnten besonders in abgelegenen Gebieten oder in Großstädten, wo der Verkehr ein Problem darstellt, von großem Nutzen sein. Autonome Fahrzeuge könnten Batterien effizienter und sicherer transportieren, während Drohnen in schwer zugänglichen Gegenden eingesetzt werden könnten, um den Zugang zu Recyclingzentren zu erleichtern.

Ein weiteres innovatives Konzept ist die Entwicklung von mobilen Recyclinganlagen. Diese Anlagen könnten direkt in den Regionen eingesetzt werden, in denen Batterien anfallen, wodurch der Bedarf an teuren und riskanten Transporten minimiert würde. Solche mobilen Anlagen könnten insbesondere in Entwicklungsländern oder in abgelegenen Gebieten eine sinnvolle Lösung darstellen, um die Recyclingquoten zu erhöhen und gleichzeitig die logistischen Hürden zu verringern.

Schließlich spielen digitale Technologien eine immer wichtigere Rolle bei der Optimierung der Logistik im Batterierecycling. Mit Hilfe von Künstlicher Intelligenz (KI) und Big Data können Logistikprozesse effizienter gestaltet werden. So könnten beispielsweise durch die Analyse von Datenströmen optimale Routen für den Batterietransport ermittelt werden, was Zeit und Kosten spart. Darüber hinaus könnten digitale Plattformen den Austausch und die Koordination zwischen verschiedenen Akteuren im Recyclingprozess erleichtern, um eine reibungslose und sichere Abwicklung zu gewährleisten.

Start-ups und Technologien im Wandel des Batterierecyclings

Die Welt des Batterierecyclings wird zunehmend von innovativen Start-ups und fortschrittlichen Technologien geprägt, die das Potenzial haben, die Branche grundlegend zu verändern. Diese Unternehmen bringen frische Ideen und unkonventionelle Ansätze in ein Gebiet, das bisher von traditionellen Methoden dominiert wurde. Ihr Fokus liegt dabei nicht nur auf der Effizienzsteigerung und Kostensenkung, sondern auch auf der Entwicklung umweltfreundlicherer Prozesse, die den ökologischen Fußabdruck des Recyclings weiter reduzieren.

Eines der Hauptanliegen moderner Start-ups im Bereich des Batterierecyclings ist die Optimierung der Materialrückgewinnung. Traditionelle Recyclingmethoden, wie die pyrometallurgische Verarbeitung, sind oft energieintensiv und verursachen erhebliche Emissionen. Im Gegensatz dazu setzen viele Start-ups auf die Hydrometallurgie, bei der chemische Lösungen verwendet werden, um wertvolle Metalle aus den Batterien zu extrahieren. Diese Methode ermöglicht eine höhere Rückgewinnungsrate von Metallen wie Lithium, Kobalt und Nickel und reduziert gleichzeitig die Umweltauswirkungen.

Ein weiteres vielversprechendes Innovationsfeld ist das direkte Recycling, bei dem Batteriematerialien ohne vorherige chemische Verarbeitung wiederverwendet werden. Diese Methode spart Energie und minimiert den Abfall, indem sie die Struktur der Batteriematerialien erhält. Start-ups, die sich auf dieses Verfahren spezialisiert haben, entwickeln Technologien, die es ermöglichen, Batterien wieder aufzubereiten und sie direkt in neuen Produkten zu verwenden. Diese „Second-Life“-Anwendungen könnten in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt werden, von stationären Energiespeichersystemen bis hin zu neuen Fahrzeugbatterien.

Die Anwendung von Künstlicher Intelligenz (KI) und maschinellem Lernen spielt ebenfalls eine immer größere Rolle im Batterierecycling. Start-ups nutzen diese Technologien, um den Recyclingprozess zu optimieren und effizienter zu gestalten. Beispielsweise können Algorithmen zur Erkennung und Sortierung von Batterien beitragen, indem sie Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung oder im Zustand der Batterien erkennen. Diese Automatisierung erhöht die Genauigkeit und Geschwindigkeit des Recyclings erheblich und reduziert gleichzeitig die Kosten.

Neben diesen technologischen Innovationen sind Start-ups auch Pioniere in der Schaffung von Kreislaufwirtschaftsmodellen, die über das traditionelle Recycling hinausgehen. Sie entwickeln Plattformen und Netzwerke, die es ermöglichen, Batterien nach ihrer ersten Lebensdauer effizient zu sammeln, zu recyceln und wiederzuverwenden. Diese ganzheitlichen Ansätze fördern die Nachhaltigkeit und schaffen gleichzeitig wirtschaftliche Anreize für Unternehmen, ihre Batterien zurück in den Kreislauf zu bringen.

Die Autorin: Dr.-Ing. Nicole Ahner

Die Autorin: Dr. Nicole Ahner
(Bild: Hüthig)

Ihre Begeisterung für Physik und Materialentwicklung sorgte dafür, dass sie im Rahmen ihres Elektrotechnik-Studiums ihre wahre Berufung fand, die sie dann auch ins Zentrum ihres beruflichen Schaffens stellte: die Mikroelektronik und die Halbleiterfertigung. Nach Jahren in der Halbleiterforschung recherchiert und schreibt sie mittlerweile mit tiefem Fachwissen über elektronische Bauelemente. Ihre speziellen Interessen gelten Wide-Bandgap-Halbleitern, Batterien, den Technologien hinter der Elektromobilität, Themen aus der Materialforschung und Elektronik im Weltraum.

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