Batterie-Recycling: Wie man mehr als 95% aus einer Lithium-Batterie zurückgewinnt

Das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien ist für die Nachhaltigkeit unerlässlich: Sobald sie das Ende ihrer Lebensdauer erreicht haben, müssen sie ordnungsgemäß entsorgt werden. In diesem Sinne gibt es einige technische Aspekte zu berücksichtigen, um dieser Art von Speicher ein "zweites Leben" zu geben. Im Folgenden werden wir die wichtigsten Aspekte beleuchten, angefangen beim Unterschied zwischen physikalischer und chemischer Verarbeitung bis hin zu den verschiedenen Phasen, die bei der Wiederverwendung von Batterien üblicherweise ablaufen.

Recyclingverfahren für die Rückgewinnung von Batterien: physikalische und chemische Verfahren

Das Recycling von Lithiumbatterien umfasst verschiedene Verfahren zur Rückgewinnung der Batteriekomponenten und zur Verringerung der Abfallmenge. Es gibt zwei Haupttypen von Verfahren: physikalische und chemische.

1. physikalische Prozesse

Physikalische Prozesse sind ein grundlegender Bestandteil des Recyclings von Lithiumbatterien, da sie für die Vorbehandlung der Batteriekomponenten vor der Durchführung chemischer Prozesse verantwortlich sind. Diese physikalischen Verfahren beruhen auf der Nutzung verschiedener physikalischer Eigenschaften der in der Batterie vorhandenen Materialien, wie Dichte, magnetische Eigenschaften und Löslichkeit, um die Kathoden- und Anodenmaterialien von anderen Komponenten wie Stromabnehmern und Elektrolyten zu trennen.

Eines der häufigsten physikalischen Verfahren ist die Zerlegung der Batterie, bei der die verschiedenen Komponenten der Batterie wie Gehäuse, Elektrolyt und Stromabnehmer getrennt werden. Nach der Trennung werden die Komponenten zerkleinert und einem Trennungsprozess unterzogen, bei dem Flotation, magnetische Trennung und Dichtetrennungstechniken eingesetzt werden, um die verschiedenen in der Batterie vorhandenen Materialien zu trennen.

Beim Trennungsprozess werden die Batteriematerialien aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften in verschiedene Fraktionen sortiert. So kann beispielsweise das Gehäusematerial durch magnetische Trennung abgetrennt werden, da es von einem Magneten angezogen wird, während schwerere Materialien wie Stromabnehmer nach ihrer Dichte getrennt werden.

2. Chemische Prozesse

Die chemischen Verfahren für das Recycling von Lithiumbatterien beruhen auf der Extraktion der aktiven Bestandteile der Batterie durch den Einsatz von Lösungsmitteln, Reagenzien und Säuren, die die Trennung der verschiedenen in der Batterie enthaltenen Metalle wie Lithium, Kobalt, Nickel, Mangan usw. ermöglichen.

Hydrometallurgische Verfahren werden aufgrund ihrer Selektivität bei der Rückgewinnung von Metallen und der Verringerung der Emissionen toxischer Gase im Vergleich zu pyrometallurgischen Verfahren am häufigsten für das Recycling von Lithiumbatterien eingesetzt. Bei den hydrometallurgischen Verfahren werden verschiedene Techniken für die Rückgewinnung von Lithiumbatteriematerialien eingesetzt. Einige dieser Verfahren sind die Säureauslaugung, die Lösungsmittelextraktion, die elektrolytische Gewinnung und die chemische Ausfällung.

Pyrometallurgische Verfahren sind eine der gängigsten Formen der chemischen Verarbeitung für das Recycling von Lithiumbatterien. Bei diesem Verfahren werden die metallischen Bestandteile der Batterie durch Schmelzen bei hohen Temperaturen (in der Regel zwischen 800 und 1300 °C) zurückgewonnen, wodurch die verschiedenen Metalle schmelzen und sich trennen können. Die Metalle werden in Form von Legierungen, wie Kupfer, Kobalt, Nickel und Eisen, zurückgewonnen, die dann zu hochreinen Metallkomponenten raffiniert werden können.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass es für die Rückgewinnung von metallischen Werkstoffen relativ einfach und produktiv ist, eignet sich aber nicht für die Rückgewinnung von organischen Werkstoffen. Außerdem kann die bei diesem Verfahren anfallende Schlacke eine Vielzahl von Bestandteilen, darunter Metalle und andere Materialien, enthalten, was ihre ordnungsgemäße Entsorgung erschweren kann. 

Abb. A Recyclingprozesse und -systeme ^[1]

Die sieben Verfahren zum Recycling von Lithiumbatterien

Um Lithiumbatterien effizient und kostengünstig zu recyceln, schlagen wir 7 Schlüsselschritte vor, die an die Komplexität der Batterien und die Recyclingstrategien der einzelnen Anlagen angepasst sind. 

• VorauswahlBatteriebewertung: Bei diesem Verfahren wird eine erste Bewertung der Batterien vorgenommen, um ihren Zustand, ihre Größe und ihren Typ zu bestimmen. Es wird auch geprüft, ob die Batterien defekt oder beschädigt sind und sich nicht für das Recycling eignen.
• EnergierückgewinnungLithiumzellen oder -batterien enthalten Energie, und es ist wichtig, diese Energie sicher zu gewinnen, bevor die Batterie für das Recycling aufbereitet wird. Bei diesem Verfahren werden gefährliche Flüssigkeiten und Gase entfernt, die bei der Handhabung der Batterie freigesetzt werden können.

• DemontageDemontage: Bei diesem Verfahren wird die Batterie zerlegt, um ihre Komponenten und Teile zu trennen. Die meisten Lithiumbatterien werden manuell zerlegt, aber es werden auch einige automatisierte Verfahren entwickelt.
• DekontaminationLithiumbatterien enthalten gefährliche Chemikalien wie Säuren und Schwermetalle, die sorgfältig behandelt werden müssen, damit sie nicht in die Umwelt gelangen. Bei diesem Verfahren werden die kontaminierenden Stoffe entfernt und die Batterieteile dekontaminiert. Dazu gehört eine Tieftemperaturbehandlung bei etwa -200 °C, die exotherme Reaktionen in den späteren Phasen des Recyclingprozesses verhindert, und/oder eine Wärmebehandlung durch Pyrolyse und Kalzinierung, um organische und brennbare Bestandteile zu entfernen.
• FreigabeNachdem die Batterie zerlegt und dekontaminiert wurde, werden ihre Bestandteile getrennt. Dazu kann es erforderlich sein, die Batterie zu zerkleinern oder zu mahlen, um die Trennung zu erleichtern.
• TrennungTrennung: In diesem Prozess werden die Materialien, aus denen die Batterie besteht, wie Kobalt, Nickel, Lithium und Eisen, getrennt. Physikalische und chemische Verfahren werden eingesetzt, um die Materialien zu trennen und für die weitere Verwendung zu reinigen.
• Metallurgische RaffinationNach der Trennung der Materialien werden diese veredelt. Diese Technik kann thermisch (pyrometallurgische Verfahren), chemisch (hydrometallurgische Verfahren) oder auch biologisch (biometallurgische Verfahren) erfolgen.

Rückgewinnung von Materialien aus der Lithiumbatterie

Welche Vorteile bieten die beiden Recyclingverfahren für Lithiumbatterien im Vergleich zwischen Pyrometallurgie und Hydrometallurgie?

• Pyrometallurgische Verfahren sind energie- und materialaufwändiger, erzeugen aber Metalle, die verkauft werden können. 
• Hydrometallurgische Verfahren können hochwertige Materialien für die Wiederverwendung in neuen Batterien liefern, was sie potenziell effizienter macht, aber sie sind komplexer und erfordern mehr Schritte und Chemikalien.

Hydrometallurgische Verfahren haben jedoch einen erheblichen Vorteil in Bezug auf die Metallrückgewinnung. Sie können bis zu 100% Lithium und Kobalt, 98% Mangan und 75% Aluminium in Form von Kathoden-/Anodenmaterial für die Verwendung in neuen Batterien zurückgewinnen. Dies hängt jedoch davon ab, ob das Recyclingverfahren in Bezug auf Kosten und Einnahmen rentabel ist.

Abb. B: Beispielhafte Darstellung von pyrometallurgischen und hydrometallurgischen Verfahren für das Recycling von NiMH-, LMO- und LCO-Batterien. ^[2]

In der nachstehenden Tabelle sind einige Beispiele für Metalle und Produkte aufgeführt, die aus Alt-Lithiumbatterien durch verschiedene Recyclingverfahren zurückgewonnen werden können. In der Tabelle ist auch der Reinheitsgrad angegeben, der aus jedem dieser Metalle gewonnen werden kann und der zwischen 90% und 100% liegt.

Abb. C: Zusammenfassung der Metalle und Chemikalien, die aus dem Recycling gebrauchter Libs gewonnen werden ^[3]

Die Tabelle zeigt, dass es möglich ist, sowohl reine Metalle (Kobalt, Nickel, Kupfer) als auch Produkte zur Herstellung neuer Kathodenmaterialien (Carbonate, Sulfate und Hydroxide verschiedener Metalle) aus verbrauchten Kathoden verschiedener Lithiumbatterietypen wie LCO (LiCoO2), LFP (LiFePO4), LMO (LiMn2O4), NMC (LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2) und NCA (LiNi0,8Co0,15Al0,05O2) durch physikalisch-chemische Verfahren zurückgewinnen.

Der Recyclingprozess der Zukunft

Bei dem derzeit für Lithiumbatterien angewandten Recyclingverfahren werden die Grundelemente und -verbindungen für die Herstellung neuer aktiver Materialien aus einer "schwarzen Masse" gewonnen. Bei dieser schwarzen Masse handelt es sich um eine Aufschlämmung von Kathoden- und Anodenmaterialien, die noch aufbereitet werden muss, was zu einer Verschwendung von Energie und anderen Materialien führt.

Abb. D: Tatsächlicher Recyclingprozess ^[1]

Um die Effizienz zu verbessern, soll auf ein "direktes Recycling"-Verfahren umgestellt werden. Dabei sollen die aktiven Materialien so weit wie möglich direkt recycelt werden, so dass die Umwandlung in schwarze Masse und die Notwendigkeit der Raffination und Resynthese der Kathoden- und Anodenmaterialien vermieden werden. Dieser Prozess beinhaltet auch die Einführung von Sammelsystemen, die sich am Zustand der Module und Zellen orientieren, was die Sortierphase erleichtert und beschleunigt.

Darüber hinaus wird bei der mechanischen Konstruktion der Batterien die Zerlegung am Ende ihrer Lebensdauer berücksichtigt, was die Zerlegung im Recyclingprozess erleichtert. Die aktiven Materialien werden so weit wie möglich zurückgewonnen und regeneriert, und nur der nicht regenerierbare Teil wird zu Primärkomponenten verarbeitet. 

Im Vergleich zum derzeitigen Verfahren führt das direkte Recycling zu einer höheren Energieeffizienz und einer erheblichen Verringerung der Abfallmenge. Regenerierte Materialien können in einem neuen Zellproduktionszyklus wiederverwendet werden, so dass der Zyklus von vorne beginnt.

Abb. E: Zukünftiger Recyclingprozess ^[1]

Um eine optimale Verwertung im Recyclingprozess zu erreichen, ist es wichtig, die zu recycelnden Materialien und ihre spezifische Chemie genau auszuwählen. Um dies zu erreichen, muss die Rückverfolgbarkeit von Zellen durch Technologien wie Tags und RFID verbessert werden, die ihre Zusammensetzung und ihren Lebenszustand eindeutig identifizieren. Das Recyclingverfahren wird jedoch durch die ständig sinkenden Kosten der Zellen erschwert, was bequemere und effizientere Recyclingverfahren erfordert.

Derzeit gibt es verschiedene Recyclingverfahren, die auf einen Batterietyp spezialisiert sind, um hohe Wirkungsgrade zu erzielen. 

• Die Verfahren von Umicore und Sumitomo-Sony ermöglichen Produkte, die mit neuen Materialien gemischt werden können, um sie in neuen Batterien zu verwenden, ohne dass ihre Endqualität beeinträchtigt wird.
• Das Recupyl-Verfahren zusätzlich zu Kobalt, ermöglicht die Rückgewinnung von LiFePO-Kathoden ₄ und LiPF-Elektrolyt ₆
• Umicore-Valéas und Sumitomo-Sony-Verfahren Elektrolyte, Kunststoffe, organische Materialien, Metalle und Graphit werden nicht für die direkte Verwendung zurückgewonnen, sondern teilweise als Nebenprodukte für die Bauindustrie verwendet, wodurch ihr Wert entwertet wird.

Derzeit ist das Recycling von LiFePO 4- und LiMn 2 O 4-Batterien aufgrund ihres geringen Marktwerts begrenzt, aber diese Chemikalien werden zunehmend in der Energiewirtschaft eingesetzt. In dem Maße, wie die Produktion von LiFePO 4-Batterien zunimmt, wird das Recycling voraussichtlich zunehmen und die Kosten werden sinken. Darüber hinaus ist dieser Batterietyp sicherer als andere Materialien, und es wird erwartet, dass seine Verwendung in Zukunft zunehmen wird.

Abb. F: Marktanteilsprognose für Batteriechemie, 2015 - 2030 ^[4]

Second Life Lithiumbatterie: eine nicht zu unterschätzende Lösung, die mit Recycling kombiniert werden kann.

Immer mehr Studien befassen sich mit der Frage, wie man ausgedienten Lithiumbatterien in Elektrofahrzeugen ein zweites Leben geben kann. Diese Lösung beinhaltet die Rückgewinnung und Wiederverwendung der Altbatterie für andere Zwecke, z. B. als Energiespeicher, bevor sie recycelt wird. 

Die Wiederverwendung verlängert die Gesamtlebensdauer der Batterie und verringert die Umweltauswirkungen von Produktion, Recycling und Entsorgung. Je nach Art der Nutzung kann die zweite Lebensdauer einer Batterie sogar länger als 10 Jahre dauern. 

Im Allgemeinen kann die Praxis des zweiten Lebens die Gesamtlebensdauer der Batterie verlängern und ihre Umweltauswirkungen verringern, aber ihre Durchführbarkeit hängt von der spezifischen Anwendung und der Einheitlichkeit der Batterien auf dem Markt ab.

Im Automobilsektor werden Batterien in großen Mengen hergestellt und sind einheitlicher, was die Wiederverwendung von Batterien am Ende ihrer Nutzungsdauer für andere Zwecke erleichtert. 

NCPOWER Lithium-Batterien? Mehr und mehr Aufmerksamkeit für das Thema Recycling und Nachhaltigkeit

Bei NCPOWER konzentrieren wir uns auf die Nachhaltigkeit in allen Aspekten unserer Unternehmensvision, von der Energieeffizienz unserer Anlage bis hin zum Design unserer Batterien. 

Die Forschungs- und Entwicklungsabteilung ist von zentraler Bedeutung für diese Strategie, nicht nur, um die Bedürfnisse der Kunden mit innovativen Produkten zu erfüllen, sondern auch, um umweltfreundlichere Lösungen zu finden. 

NCPOWER verwendet in seinen Batterien die LFP-Chemie, die sicher, stabil und völlig frei von Kobalt ist, einem Material, das eine hohe Umweltbelastung darstellt. Darüber hinaus untersucht die Forschungs- und Entwicklungsabteilung aktiv umweltverträglichere Produktionsverfahren und Materialien, um die verschiedenen Produktionsschritte und das Design der Batterien zu optimieren.

Wir wissen, dass wir noch einen langen Weg vor uns haben, aber NCPOWER ist zuversichtlich, dass Investitionen in Materialien und Fähigkeiten, die auf Effizienz und Nachhaltigkeit ausgerichtet sind, einen großen Beitrag auf dem Weg zu einer grünen Gesellschaft leisten können. 

Literaturverzeichnis

^{[1] https://battery2030.eu/wp-content/uploads/2022/07/BATTERY-2030-Roadmap_Revision_FINAL.pdf}

^{[2] https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/cs /c8cs00297e/}

^{[3] https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.07.116}

^{[4] Energiespeicherdienst von Wood Mackenzie}