Lithium-Ionen-Batterien – Kreislaufwirtschaftliche Herausforderungen am Ende des Lebenszyklus und im Recycling

Die (automatische oder manuelle) Erkennung und Sortierung von LIB in die einzelnen Subtypen ist problematisch bzw. zeitaufwändig, da die Batterien in der Regel unzureichend gekennzeichnet sind. Zwar gibt es seit 2019 einen Standard [9] zur einheitlichen Kennzeichnung, dieser unterscheidet aber nur grundlegende elektrochemische Systeme (z. B. Bleisäure‑, Nickelmetallhydrid‑, Lithium-Ionen-Batterien). Doch unter Lithium-Ionen-Batterien sind nochmals eine Vielzahl elektrochemischer Systeme zusammengefasst (z. B. Lithium-Eisenphosphat, Lithium-Cobaltoxid, Lithium-Nickel-Mangan-Cobaltoxid), die sich anhand der verwendeten Aktivmaterialien – feinpulvrige Lithiummetalloxide – maßgeblich voneinander unterscheiden. Das Aktivmaterial macht bis zu 60 Gew.-% der Zelle aus [10] und eine getrennte Behandlung verschiedener LIB-Typen ist daher essentiell für das Recycling und die Erfüllung der vorgeschriebenen Recyclingquote.

Durch Demontage können einfach erreichbare, wertvolle und gut recycelbare Bauteile vor dem tatsächlichen Recyclingschritt entfernt werden. Aus Gehäusedeckel, Kabelstrang, Kühlsystem und elektronischen Bauteilen werden so einerseits wieder Wertstoffe wie Stahl, Kupfer, ausgewählte Kunststoffe und Edelmetalle zurückgewonnen und andererseits verringert sich der zu behandelnde Volumenstrom. Das spart Energie und Investitionskosten.

Als Herausforderungen im Bereich der Demontage sind der hohe Personal- und Zeitaufwand [11, 12], die notwendige Fachausbildung für Arbeiten im Hochvoltbereich, die mangelnde Normbauweise und die damit zusammenhängenden hohen Investitionskosten für Automatisierungstechnik [13] zu nennen.

Ein niedriger Ladestand der Batterie ist bei der weiteren mechanischen Aufbereitung von großen Energiespeichersystemen von sicherheitstechnischem Vorteil [14, 15] und wird bei fast allen Recyclingverfahren angewandt, da sonst die in den Zellen vorhandene Energie einen Mehraufwand hinsichtlich Kühlung bedeutet [16]. Ausnahmen davon sind Verfahren mit Kryotechnologie, Inertgasspülung und die direkte pyrometallurgische Aufarbeitung auf Zell- bzw. Modulebene im Schachtofen (z. B. Fa. Umicore).

Als Stand der Technik gilt die Entladung über einen Ohm’schen Widerstand und wird bei Entsorgungsfachbetrieben vor allem bei Energiespeichern aus Elektrofahrzeugen durchgeführt. Die Energie wird dabei entweder in Form von Wärme abgeführt oder gespeichert.

Für die Entladung bestehen aus ähnlichen Gründen die gleichen Nachteile wie für die Demontage: Mangelnde Automatisierbarkeit, die Artenvielfalt von Batteriemodulen und die notwendige Fachausbildung des Personals treiben die Kosten des Recyclings in die Höhe. Eine wissenschaftliche Aussage über eine durchschnittlich zurückgewinnbare Energie gibt es noch nicht. Dennoch kann davon ausgegangen werden, dass sich in Summe eine potenzielle Kosteneinsparung durch kluge Rückeinspeisung zu Hochlastzeiten beziehungsweise durch Skalierung der Batteriemenge ergibt.

Der Pyrolyseprozess findet bei etwa 500 °C statt. Durch die thermische Belastung schmilzt der Separator ab und es kommt zu einem Kurzschluss, welcher weitere Zersetzungsreaktionen mit sich bringt – ein sogenannter Thermal Runaway [19]. Dadurch kommt es zu einer schlagartigen Zunahme des Abgas-Volumenstroms, welcher jedoch konstant sein sollte [20]. Zudem entstehen fluorhaltiges Benzol und Ester-Elektrolyt, welche durch Kondensation gesammelt werden [21]. Steigen die Temperaturen über 660 °C, so oxidiert ein Großteil des Aluminiums, was die Ausbeute im Recyclingprozess reduziert [19].

Für die mechanische Aufbereitung müssen die Batterien tiefenentladen werden. Bei der Zerkleinerung wird der Elektrolyt freigesetzt. Dieser zeigt eine hohe Reaktivität mit Sauerstoff und beinhaltet unter anderem Fluor und andere giftige Stoffe [22]. Der Prozess muss unter inerter Atmosphäre (zB. CO₂) oder weit unter Raumtemperatur stattfinden, da es sonst zu Explosionen oder Brand kommen kann [23]. Zudem sollte der Zerkleinerungsapparat korrosionsbeständig sein, da das Leitsalz im Elektrolyt zu Fluss- oder Phosphorsäure reagiert. Eine weitere Herausforderung stellt die Trennung der Beschichtung von den Ableiterfolien dar [20].

Im pyrometallurgischen Prozess erfolgt eine Rückgewinnung von nur wenigen wertvollen Metallen (Nickel, Kobalt und Kupfer). Als Produkt entsteht eine Legierung, die in weiterer Folge meist hydrometallurgisch aufbereitet wird [24]. Lithium, Mangan und Aluminium verbleiben in der Schlacke, deren Rückgewinnung kostenintensiv und mit aufwendigen Prozessen verbunden ist [19, 25, 26]. Die Anode, der Elektrolyt und die Kunststoffe dienen als Brennstoff [24]. Zusätzlich benötigt die pyrometallurgische Aufbereitung viel Energie und erzeugt umweltschädliche Abgase, die einer Behandlung bedürfen [26].

Beim hydrometallurgischen Prozess erfolgt die Metallrückgewinnung mittels wässriger Chemie. In diesem Verfahren werden Säuren oder Basen zur Auslaugung verwendet, danach erfolgt die Aufkonzentrierung und Reinigung [24].

Dazu sind eine Vorbehandlung der eingebrachten Batterien und ein stabiler Input notwendig. Zudem kann die Auftrennung in die einzelnen Elemente aufwendig sein. Nachteilig sind auch die lange Verweildauer in der Prozesskette und die kostspielige Abwasseraufbereitung [24, 26].

Diese Methode befindet sich noch im Labor- bzw. Pilotmaßstab [24]. Die Trennung der einzelnen Batteriebestandteile erfolgt meist mit mechanischen Prozessen oder einer moderaten thermischen Verarbeitung [24, 27, 28], wobei sich hier ebenso die dazu erwähnten Herausforderungen zeigen.

Zudem bedarf es einer extrem genauen Sortierung nach der Kathodenchemie, was den Prozess unflexibel und sehr empfindlich auf Veränderungen im Inputstrom macht. Auch der Lithiumverslust kann nicht allgemein für alle Batterien gleichermaßen angenommen werden. Daher ist es schwierig, rezykliertes Material mit exzellenter elektrochemischer Performance zu produzieren, die der Batterieerzeugung genügen [24, 28].

LFP-Batterien stellen nahezu alle existierenden Recyclingverfahren vor große Herausforderungen, da die enthaltenen Phosphatverbindungen den Prozessablauf stören. Eigene Recyclinglösungen für LFP-Batterien existieren noch nicht bzw. sind gerade Gegenstand der Forschung [29].

Ähnliches gilt für die Rückgewinnung von Lithium. Das sehr unedle Metall geht in pyrometallurgischen Prozessen in die Schlacke und kann daraus nur schwer rückgewonnen werden. Hydrometallurgische Prozesse sind aktuell Gegenstand der Forschung [30].