Ist das Ideal, aus dem Material gebrauchter Batterien direkt wieder neue Zellen zu fertigen, erreichbar?

Die Zahl der Elektroautos in Deutschland hat sich seit 2011 von 2.307 Elektrofahrzeugen auf 53.861 im Jahr 2018 gesteigert – bis 2020 sollen nach Plänen der Bundesregierung eine Million Elektroautos auf deutschen Straßen unterwegs sein.

 

Im gleichen Maß wächst daher auch der Bedarf an Hochleistungsbatterien wie Lithium-Ionen-Akkus. Um diesen Bedarf zu decken, ist ein effizientes Recycling der Altbatterien unerlässlich. Im Jahr 2020 könnten laut Prognosen allein in den USA bis zu 500 Millionen Lithium-Ionen-Batteriezellen zur Entsorgung anfallen. Je nach technologischer Entwicklung könnte sich diese Zahl bis 2030 auf bis zu 4,5 Milliarden Batteriezellen steigern – ein rasant wachsender Abfallstrom. Dies betrifft nicht nur beispielsweise durch einen Unfall beschädigte Batterien, sondern auch intakte gebrauchte Batterien. Bei weniger als 80% ihrer ursprünglichen Ladekapazität ist für Traktionsbatterien normalerweise das Ende ihrer Lebensdauer erreicht, da dann die Reichweite des Fahrzeugs rapide abnimmt. Auch wenn Batterien nach ihrer Erstnutzung in Second und Third Life-Anwendungen genutzt werden, fällt früher oder später eine Entsorgung an. Hier gilt es, möglichst alle verwendeten Stoffe im Sinne einer geschlossenen Kreislaufwirtschaft zurückzugewinnen und wiederzuverwerten. Dies ist auch im Batteriegesetz (BattGDV) so festgelegt, wonach seit 2011 eine stoffliche Verwertungsquote von 50 Prozent der durchschnittlichen Masse sonstiger Altbatterien (unter die Li-Ionen-Batterien fallen) verpflichtend ist. Die Sammlung der Batterien kann entweder über die verschiedenen Rücknahmesysteme erfolgen oder direkt über ein herstellereigenes System. Die zu erfüllende Sammelquote liegt derzeit bei etwa 45 Prozent und errechnet sich aus dem Gewicht der Altbatterien, die im aktuellen Kalenderjahr gesammelt wurden im Verhältnis zu dem Gewicht der Batterien, die die Hersteller im aktuellen sowie in den beiden vorausgegangenen Kalenderjahren verkauft haben.

 

Um die hohe Energie beispielsweise beim Einsatz in Elektroautos bereitzustellen, enthalten Hochleistungsbatterien spezielle Materialien, die verschiedene kritische Rohstoffe enthalten. Dazu zählen vor allem die Stoffe Lithium, Kobalt, Nickel und Graphit. Die Nachfrage ist in den letzten Jahren enorm gestiegen: Über 40% des weltweit produzierten Kobalts wird für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien verwendet (6). Kobalt wird aufgrund der geringen Reserven nur in wenigen Ländern der Welt abgebaut, darunter DR Kongo, Russland, Australien und Kuba. Die gesteigerte Nachfrage mit gleichzeitiger Abhängigkeit von Importen aus den Abbauländern hat zu einem massiven Preisanstieg geführt. Seit Mitte 2016 hat sich der Preis für eine Tonne Kobalt von 23.000 USD auf etwa 90.000 USD innerhalb von nur zwei Jahren fast vervierfacht. Die Industrie reagiert unter anderem damit, den Kobaltanteil weiter zu reduzieren, um Kosten zu sparen. Dies ist jedoch nicht unbegrenzt möglich.

 

Das Ziel der Forschungsarbeit ist es, zu einer nachhaltigen Entwicklung im Sinne einer ökologisch intakten, ökonomisch erfolgreichen und sozial ausgewogenen Welt beizutragen. Das Recycling von Traktionsbatterien aus Elektrofahrzeugen wird in den nächsten Jahren massiv an Bedeutung gewinnen. Die derzeitigen Kapazitäten werden in absehbarer Zeit von der Menge an Rückläufern überholt. Generell sehen die Forscher der Fraunhofer-Projektgruppe IWKS am Markt ein hohes Potenzial für die Weiterentwicklung des Recyclings von Altbatterien von Elektroautos – im Idealfall bis hin zur vollständigen Kreislaufführung. Das Recycling von Batterien ist allerdings nicht neu und wird bereits im Industriemaßstab umgesetzt. Dazu gibt es verschiedene Verfahrensansätze:

Häufig werden die einzelnen Verfahren miteinander kombiniert, um so bessere Ergebnisse zu erzielen. Jedoch ist der Einsatz von Energie und Prozessmitteln je nach Verfahren noch recht hoch. Neben bereits etablierten Verfahren zur Rückgewinnung von Kupfer, Aluminium, Nickel, Kobalt und Mangan besteht noch Bedarf an effizienteren Prozessen, um auch anderer Bestandteile wie Graphit oder Lithium wieder zurückzugewinnen. Denn Lithiumbatterien sind wegen der darin enthaltenen wertvollen Metalle (Kobalt und Nickel) bereits heute schon rentable Abfallströme. Jedoch sollte im Sinne der werkstofflichen Kreislaufwirtschaft nicht nur die Rückgewinnung der Metalle, sondern die Wiederverwertung der höherwertigen Funktionsmaterialien (der Batterieelektroden) ermöglicht werden. Nur so kann die Elektromobilität zu einer wirklich nachhaltigen Alternative zu herkömmlichen Antriebstechnologien werden (neben der Bereitstellung klimaneutraler Elektrizität). Dazu muss die gesamte Recyclingkette von Batterien effizienter werden. Speziell steht das Recycling von Elektroautobatterien in Deutschland noch vor folgenden Herausforderungen:

Es ist sicherlich noch ein weiter Weg, bis ein geschlossener Kreislauf in der Industrie etabliert ist. Nichtsdestotrotz gibt es bereits vielversprechende Ansätze, wie dies gelingen kann. Die Forscher der Fraunhofer-Projektgruppe IWKS empfehlen daher:

Die Forscher der Projektgruppe IWKS konnten in einem Projekt zeigen, dass das Ideal, aus dem Material gebrauchter Batterien direkt wieder neue Zellen zu fertigen, erreichbar ist. Damit könnte der stoffliche Kreislauf der kritischsten Bestandteile von Lithiumbatterien geschlossen werden – vorausgesetzt, die notwendige Infrastruktur und Rahmenbedingungen werden entsprechend aufgebaut.

Kontakt: Jennifer Oborny, Fraunhofer-Institut | jennifer.oborny@isc.fraunhofer.de | www.iwks.fraunhofer.de