Wie beeinflusst Batterie-Recycling die Umwelt?

Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ionen-Batterien) finden unter anderem in Konsumgütern, Elektro- und Hybridelektrofahrzeugen (EV/HEV) und stationären Energiespeichern Verwendung. Laut Yole Intelligence soll es bis 2027 mehr als 1.200.000 Tonnen Lithium-Ionen-Akkus geben, die das Ende ihrer Laufzeit erreicht haben. Derzeit wird nur ein kleiner Teil recycelt, während der Rest auf Deponien landet. Daher wird der gesamte Lithium-Ionen-Batterie-Recyclingmarkt nach Meinung der Analysten bis 2027 ein Volumen von rund 750.000 Tonnen erreichen.

Heute ist die Nachfrage nach Li-Ionen-Akkus bei EV/HEVs am Größten. Ein rasches Wachstum des Marktes für Elektrofahrzeuge ist entscheidend, um die sich abzeichnende Klimakrise zu lösen und das globale Ziel einer Verringerung der Kohlendioxidemissionen zu erreichen. Obwohl sich der zunehmende Einsatz von Lithium-Ionen-Batterieanwendungen positiv auf den technologischen Fortschritt und die Dekarbonisierung auswirkt, wirft er ein neues Nachhaltigkeitsproblem auf den Batterieabfall.

Da die Popularität von Elektrofahrzeugen exponentiell wächst, wächst auch der Haufen von Alt-Lithium-Ionen-Akkus, die einst diese umweltschonenden Autos angetrieben haben. Die Entsorgung von Li-Ionen-Batterien in Deponien birgt viele potenzielle Risiken, da sie Boden und Wasser kontaminieren können und zusätzlich die in den Batterien verwendeten Elektrolyte giftig und brennbar sind.

Gleichzeitig steigt mit der exponentiell wachsenden Nachfrage nach Elektrofahrzeugen auch die Nachfrage nach den Rohstoffen, die in diesen Batterien verbaut sind. Dazu zählen etwa Kobalt, Nickel, Lithium, Graphit. In Zukunft könnten sich aufgrund der rasch wachsenden Nachfrage nach EV/HEV-Batterien Engpässe bei Lithium-Ionen-Batterien entwickeln. Die Gewinnung von Rohstoffen aus Bergwerken ist kostenintensiv und birgt sowohl ökologische als auch soziale Probleme. Auch die geo-politische Konzentration dieser Elemente birgt Risiken. Beispielsweise ist der Kobaltmarkt stark konzentriert, wobei mehr als die Hälfte des gesamten Kobalts in der Demokratischen Republik Kongo abgebaut und fast die Hälfte des gesamten Kobalts in China raffiniert wird. Ebenso wird die Lithiumproduktion von Australien dominiert, und das „Lithiumdreieck“, ein Gebiet im Dreiländereck Argentiniens, Boliviens und Chiles, hält rund 50 % der Lithiumressourcen der Welt. Russland liefert etwa 20 % des batteriegeeigneten Nickels, mindestens 99,8 % rein. Eine Unterbrechung der Versorgung mit diesen Rohstoffen aus geopolitischen Gründen wie etwa durch Krieg kann das Funktionieren der Lieferkette für Lithium-Ionen-Batterien beeinträchtigen, was zu Engpässen oder schnellen Preissteigerungen führen kann. Die Rückgewinnung wertvoller Rohstoffe aus Altbatterien durch Recy-cling kann als zusätzliche Quelle („Sekundärbergbau“) für diese Rohstoffe angesehen werden. Darüber hinaus trägt die Beschaffung von Rohstoffen aus dem Recycling dazu bei, die Umweltbelastung durch den Rohstoffabbau zu verringern. Es kann auch die geopolitischen Probleme im Zusammenhang mit der Beschaffung von Rohstoffen aus dem Bergbau schwächen. Tatsächlich kann das Recy-cling von Batterien im Inland zur Rückgewinnung kritischer Mineralien die Abhängigkeit von ausländischen Primärrohstoffen bei einem knappen Angebot verringern.

Es gibt verschiedene Recycling-Verfahren für Li-Ionen-Batterien. Zur Rückgewinnung von Wertstoffen aus Alt-Li-Ionen-Batterien nutzen Recycling-Unternehmen in der Regel eine physikalische Vorbehandlung gefolgt von metallurgischen Prozessen. Die meist verwendeten metallurgischen Verfahren zur Wiederverwertung von Batterien sind die Pyrometallurgie und die Hydrometallurgie. Die Reinigung der Rezyklate erfolgt mit einem hydrometallurgisches Verfahren.

Kein Recycling-Prozess ermöglicht eine 100%ige Rohstoffrückgewinnung. Die Rückgewinnungsrate hängt von vielen Faktoren. Die aktuelle Wiederverwertungsquote für Li-Ionen-Batterien liegt bei etwa 50 - 60 %. Viele Recyclingunternehmen arbeiten jedoch daran, dies zu verbessern.

Lithium-Ionen-Batterie-Recycling ist eine aggressive Industrie, und viele Unternehmen sind bereits beteiligt. Zu den führenden Anbietern von Lithium-Ionen-Batterie-Recycling sind Umicore (Belgien), Glencore International (Schweiz), Akkuser (Finnland), Retriev Technologies (USA) und Brunp Recycling Technology, Huayou Cobalt und GEM, alle in China.

Da der EV/HEV-Markt schnell wächst, wird es in den kommenden Jahren eine große Menge Altbatterien für das Recycling geben, da die Lebensdauer der EV/HEV-Batterien etwa acht Jahre beträgt. Derzeit gibt es weltweit keine einheit-lichen Rechtsvorschriften für das Recy-cling von Li-Ionen-Batterien. Viele Länder haben klare gesetzliche Regelwerke. Im Unterschied dazu, werden in vielen Ländern wie Indien immer noch Verordnungen für das Recycling entwickelt. Im Allgemeinen sind Automobilhersteller und Batteriehersteller verpflichtet, ihre Altbatterien zu recyceln. Die meisten Automobil- und Batteriehersteller bewerten bereits verschiedene Recyclingunternehmen und suchen die besten Batterie-Re-cycling-Partner. Ford und Volvo gingen etwa eine Partnerschaft mit Redwood Materials ein, während Audi und MG Motors mit Umicore kooperieren. Weiterhin gibt es Koopertationen zwischen General Motors und LG Energy Solution mit Li-Cycle, um Ultium-Batterien zu recyceln sowie eine Partnerschaft zwischen Primobius und Mercedes-Benz für Altbatterien.

Zu den wichtigsten Bewertungsfaktoren zählen die Umweltkriterien in Bezug auf die Recyclingverfahren (pyrometallurgische, hydrometallurgische), verschiedene Prozessschritte und eingesetzte Chemikalien sowie die Recyclingfähigkeit. Da Elektrofahrzeuge sehr hohe Leistung von ihren Batterien verlangen, muss die Kapazität der Batterie ausgetauscht werden, sobald sie nach 8 - 10 Jahren auf 70 bis 80 % sinkt. Zu diesem Zeitpunkt kann der Akku jedoch noch viel laden und entladen, und somit für die Speicherung in weniger intensiven Anwendungen („Second-Life-Anwendungen“) genutzt werden, etwa in der stationären Energiespeicherung. Derzeit werden die meisten Altbatterien direkt recycelt. Viele Automobilhersteller und Energiespeicherunternehmen haben jedoch Pilot- und Geschäftsinitiativen gestartet, um Second-Life-Anwendungen für Batterien von gebrauchten Elek-trofahrzeugen zu untersuchen (z. B. Partnerschaften zwischen Nissan und Enel; Mercedes-Benz und Batteryloop).

Second-Life-Batterien bieten enorme Wertschöpfungsmöglichkeiten in der Batterie-Recycling-Lieferkette. Es gibt jedoch viele technische, wirtschaftliche und regulatorische Herausforderungen, die Unternehmen daran hindern, ein wirtschaftlich tragfähiges Geschäftsmodell für Second-Life-Batterien umzusetzen.

Obwohl das Recycling von Li-Ionen-Batterien viele positive Auswirkungen hat, bringt es mehrere wesentliche Herausforderungen mit sich, die vom Sammeln der Altbatterien bis hin zu chemischen Prozessen reichen. Das Recycling eines Li-Ionen-Akkus ist gefährlich, kompliziert und teuer, aber das Recycling von Batterien für Elektrofahrzeuge steht vor noch größeren Herausforderungen, da sie enorm groß sind und der gesamte Akku-Pack demontiert werden muss: Solche Akku-Packs enthalten viele gefährliche Materialien und haben hohe Spannungen. Batterie-Recycling wird aufgrund einer fehlenden Standardisierung des Batteriepacks, der Batteriezellengrößen und -formaten sowie komplexen, mehrteiligen Batteriechemien und des Trends zur Reduzierung des Gehalts an wertvollen Materialien immer schwieriger.

Da Elektrofahrzeuge weltweite die Nachfrage nach Batterien antreiben, konzentrieren sich die meisten technologischen Innovationen und die Entwicklung auf EV-Batteriezellen. In Bezug auf die Batteriechemie ist Nickel-Mangan-Kobaltoxid (NMC) heute die am häufigste verwendete Kathode in EV-Batterien. Es gibt jedoch einen deutlichen Trend zur Reduzierung des Kobaltgehalts durch die Verwendung von Materialien wie NMC811 und NMC721. Gleichzeitig besteht ein erneutes Interesse an Lithium-Eisen-Phosphat (LFP), da es trotz seiner relativ geringen Energiedichte kostengünstiger ist. Da der Kobaltgehalt von Batteriechemikalien mit der Zeit abnimmt und Materialien wie LFP an Popularität gewinnen, sinkt der Wert, der sich aus Materialien generieren lässt. Das macht die Wirtschaftlichkeit des Recyclings zu einer größeren Herausforderung. Das gewinnbringende Recycling von kobaltarmen EV-Batterien wird von direktem Recycling oder anderen neuen Verfahrensentwicklungen mit niedrigen Recyclingkosten abhängen. Ohne Fortschritte könnten Batterie-Recycling-Verfahren auf staatliche Subventionen oder Vorschriften angewiesen sein, um die Entsorgung von wertvollen und knappen Materialien zu verhindern.

Lithium-Ionen-Batterie-Recycling ist eine dynamische Industrie. Mit der rasanten Akzeptanz von Elektrofahrzeugen wird die Nachfrage nach Li-Ionen-Batterien sowie das Recycling von Li-Ionen-Batterien in den kommenden Jahrzehnten deutlich steigen. Obwohl der Batterie-Recyclingmarkt wächst, ist der potenzielle Markt viel größer als derzeit. Der Recyclingmarkt kann erheblich zunehmen, wenn die Regierungen die Vorschriften für die Sammlung und das Recycling von Altbatterien verschärfen und die Menschen auf die Bedeutung des Batterie-Recyclings aufmerksam machen. (prm)

Technologische Innovationen im Batterie-Recycling

Im Bereich des Batterie-Recyclings haben technologische Innovationen in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht. Traditionelle Verfahren wie Pyrometallurgie und Hydrometallurgie waren lange Zeit die Standardmethoden. Diese Methoden sind jedoch oft energieintensiv und können umweltschädliche Nebenprodukte erzeugen. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, wurden neue, effizientere Recyclingtechnologien entwickelt, die sowohl die Umweltbelastung verringern als auch wirtschaftlicher sind.

Eine der vielversprechendsten Entwicklungen ist das direkte Recycling. Im Gegensatz zu traditionellen Verfahren, bei denen die Batteriematerialien vollständig in ihre Grundbestandteile zerlegt werden, ermöglicht das direkte Recycling die Wiederverwendung von Batteriematerialien in nahezu ihrer ursprünglichen Form. Dieser Ansatz spart Energie und reduziert die Menge an Rohstoffen, die für neue Batterien benötigt werden. Besonders vorteilhaft ist dieser Prozess für Kathodenmaterialien, die bei minimaler Bearbeitung wiederverwendet werden können.

Ein weiterer bedeutender Fortschritt ist die Entwicklung von biometallurgischen Verfahren, bei denen Mikroorganismen verwendet werden, um Metalle aus Batterien zu extrahieren. Diese Methode ist nicht nur umweltfreundlicher, sondern kann auch bei niedrigeren Temperaturen und mit weniger Chemikalien durchgeführt werden, was sie zu einer nachhaltigen Alternative macht.

Zusätzlich dazu werden künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen immer häufiger in Recyclingprozesse integriert, um die Effizienz zu steigern. Durch den Einsatz von KI können Sortier- und Trennprozesse optimiert werden, um die Reinheit der zurückgewonnenen Materialien zu erhöhen und den gesamten Recyclingprozess wirtschaftlicher zu gestalten.

Diese technologischen Innovationen haben das Potenzial, das Batterie-Recycling nicht nur nachhaltiger, sondern auch profitabler zu machen. Sie tragen dazu bei, die Abhängigkeit von Rohstoffimporten zu verringern, die Umweltbelastung zu minimieren und die Kreislaufwirtschaft in der Batterieindustrie voranzutreiben. In Zukunft könnten solche Innovationen entscheidend dafür sein, die steigende Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien in einer umweltfreundlichen Weise zu bewältigen.

Regulatorische Rahmenbedingungen

Die regulatorischen Rahmenbedingungen spielen eine entscheidende Rolle im Batterie-Recycling, da sie die Richtung und das Tempo vorgeben, in dem sich die Branche entwickelt. In Europa ist die Batterie-Verordnung der EU ein zentraler Bestandteil dieser Regulierung. Diese Verordnung schreibt vor, dass alle Lithium-Ionen-Batterien, die in Verkehr gebracht werden, am Ende ihrer Lebensdauer recycelt werden müssen. Dies umfasst nicht nur die Rücknahme und das Recycling, sondern auch die Verpflichtung der Hersteller, sicherzustellen, dass ihre Produkte recycelbar sind.

Zusätzlich wurden in der Verordnung Mindestanforderungen an die Rückgewinnungsquoten festgelegt. Diese Quoten geben an, welcher Anteil der Materialien in Batterien wiedergewonnen werden muss. Für Lithium-Ionen-Batterien liegen diese Quoten derzeit bei etwa 50-60%, wobei erwartet wird, dass diese Quoten in den kommenden Jahren weiter steigen. Diese Anforderungen zwingen die Hersteller, ihre Produktionsprozesse und Materialauswahl so zu gestalten, dass das Recycling erleichtert wird.

Auf internationaler Ebene gibt es verschiedene Ansätze zur Regulierung des Batterie-Recyclings. In den USA zum Beispiel liegt der Fokus stärker auf Marktmechanismen und Anreizen, während in China striktere Vorschriften gelten, die sowohl den Import von Batterien als auch das Recycling regeln. China hat zudem spezifische Quoten für die Wiederverwendung von recycelten Materialien in neuen Batterien eingeführt, was das Recycling weiter fördert.

Ein weiterer wichtiger Aspekt der regulatorischen Rahmenbedingungen ist die Transparenz und Rückverfolgbarkeit. Die EU-Verordnung sieht vor, dass alle Schritte des Batterie-Recyclings dokumentiert werden müssen, um die Rückverfolgbarkeit der Materialien sicherzustellen. Dies ist besonders wichtig, um sicherzustellen, dass gefährliche Stoffe ordnungsgemäß behandelt werden und keine illegalen Entsorgungen stattfinden.

Regulatorische Rahmenbedingungen setzen also nicht nur den rechtlichen Rahmen für das Batterie-Recycling, sondern treiben auch Innovationen voran, indem sie höhere Recyclingquoten und umweltfreundlichere Verfahren fördern. In Zukunft könnten strengere Vorschriften und höhere Quoten erforderlich sein, um die steigende Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien in einer nachhaltigen Weise zu bewältigen und die Umweltauswirkungen weiter zu minimieren.

Vergleich verschiedener Recyclingmethoden

Beim Recycling von Lithium-Ionen-Batterien werden hauptsächlich drei Verfahren eingesetzt: Pyrometallurgie, Hydrometallurgie und mechanisches Recycling. Jedes dieser Verfahren hat seine eigenen Vor- und Nachteile.

1. Pyrometallurgie: Dieses Verfahren basiert auf der Hochtemperaturbehandlung der Batterien, bei der Metalle wie Nickel, Kobalt und Kupfer in Schmelzen umgewandelt werden. Obwohl es effektiv Metalle zurückgewinnt, hat es den Nachteil, dass Lithium und Aluminium oft verloren gehen. Zudem ist es energieintensiv und hat einen hohen CO₂-Ausstoß.

2. Hydrometallurgie: Hierbei werden chemische Lösungsmittel eingesetzt, um Metalle aus den Batterien zu extrahieren. Dieses Verfahren ermöglicht eine höhere Rückgewinnungsrate, insbesondere von Lithium, und ist umweltfreundlicher als Pyrometallurgie. Allerdings sind die Kosten für Chemikalien und die Entsorgung der verbrauchten Lösungsmittel hoch, was die Wirtschaftlichkeit beeinträchtigen kann.

3. Mechanisches Recycling: Dieses Verfahren konzentriert sich auf die physische Zerkleinerung und Trennung der Batterien in ihre einzelnen Bestandteile. Es ist relativ einfach und kostengünstig, aber die Reinheit der zurückgewonnenen Materialien ist oft geringer als bei den anderen Methoden, was ihre Wiederverwendbarkeit einschränken kann.

Vergleich:

• Die Pyrometallurgie ist ideal für die Rückgewinnung von wertvollen Metallen, hat aber signifikante Umwelt- und Energieprobleme.
• Hydrometallurgie bietet eine höhere Effizienz und umweltfreundlichere Optionen, jedoch zu höheren Betriebskosten.
• Mechanisches Recycling ist kostengünstig und einfach, aber weniger effektiv bei der Rückgewinnung von hochwertigen Materialien.

Zukünftige Recyclingprozesse könnten eine Kombination dieser Methoden beinhalten, um die Effizienz zu maximieren und gleichzeitig die ökologischen und wirtschaftlichen Herausforderungen zu bewältigen. Beispielsweise könnten mechanische Verfahren verwendet werden, um Batterien vorzusortieren, bevor die verbleibenden Materialien durch hydro- oder pyrometallurgische Verfahren behandelt werden.

End-of-Life-Management von Batterien

Das End-of-Life-Management (EOL) von Batterien ist ein kritischer Bestandteil des Lebenszyklus von Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere im Hinblick auf Nachhaltigkeit und Umweltschutz. Es umfasst die Prozesse, die angewendet werden, sobald Batterien das Ende ihrer Lebensdauer erreicht haben. Dies kann durch Entsorgung, Recycling oder Wiederverwendung geschehen.

Ein wichtiger Ansatz im EOL-Management ist das Konzept des Second Life. Hierbei werden Batterien, die ihre ursprüngliche Kapazität für Anwendungen wie Elektrofahrzeuge verloren haben, in weniger anspruchsvollen Anwendungen weiterverwendet, z.B. in stationären Energiespeichern. Diese Wiederverwendung verlängert die Lebensdauer der Batterien und reduziert die Notwendigkeit, neue Batterien zu produzieren, was wiederum den Ressourcenverbrauch und die Umweltbelastung verringert.

Ein weiteres Element im EOL-Management ist die Rücknahmelogistik. Hier müssen effektive Systeme entwickelt werden, um gebrauchte Batterien von Verbrauchern zurückzunehmen und sicher zu transportieren. Dies ist besonders wichtig, da Lithium-Ionen-Batterien potenziell gefährliche Stoffe enthalten, die bei unsachgemäßer Handhabung Umweltschäden verursachen können.

Auch die rechtlichen Rahmenbedingungen spielen eine Rolle im EOL-Management. Hersteller sind oft gesetzlich verpflichtet, ein Rücknahme- und Recyclingsystem für die von ihnen in Verkehr gebrachten Batterien anzubieten. In der EU wird dies durch die Batterie-Verordnung geregelt, die strenge Vorgaben zur Sammlung und Entsorgung von Altbatterien macht.

Ein weiterer innovativer Ansatz im EOL-Management ist die Integration von digitalen Technologien. Batterien können mit Sensoren ausgestattet werden, die ihre Leistungsfähigkeit und Restlebensdauer überwachen. Diese Daten können genutzt werden, um zu entscheiden, ob eine Batterie recycelt, wiederverwendet oder entsorgt werden sollte, und optimieren so die gesamte Kette des EOL-Managements.

Letztendlich zielt das End-of-Life-Management darauf ab, den ökologischen Fußabdruck von Batterien zu minimieren und ihre Lebensdauer zu maximieren, indem wertvolle Materialien zurückgewonnen und schädliche Umweltauswirkungen vermieden werden. Ein gut durchdachtes EOL-Management ist daher essenziell, um die Herausforderungen der wachsenden Nutzung von Lithium-Ionen-Batterien in einer nachhaltigen Weise zu bewältigen.