Recycling von Lithium-Batterien: Wir schaffen Klarheit

Lithium ist heute eine der wichtigsten Komponenten für den Übergang zur Elektromobilität, wobei Themen wie Entsorgung und Rückgewinnung von Lithium-Ionen-Batterien am Ende ihrer Lebensdauer von Tag zu Tag dringender werden. Da die Produktion von Lithium-Batterien immer weiter anwächst, werden in den nächsten Jahren immer mehr Batterien das Ende ihrer Lebensdauer erreichen und entsorgt werden müssen. Ein angemessenes Recycling ist von entscheidender Bedeutung, da die Batterien verschiedene wertvolle Metalle sowie andere Stoffe enthalten, die, wenn sie nicht ordnungsgemäß gehandhabt werden, umweltschädlich sein können.

Starten wir vom Anfang: Wie sieht die Struktur einer Lithium-Batterie aus?

Um das Thema des Recyclings einer Lithium-Ionen-Batterie im Detail untersuchen zu können, muss man zunächst einmal die tatsächliche Struktur der Batterie und aller Elemente analysieren, aus denen sie besteht.

Die klassische Struktur einer Lithium-Ionen-Zelle besteht aus:

• einer Kathode – der positive Pol der Batterie, bestehend aus einem Kathodenmaterial (z.B. LFP, NMC, LMO, LCO…) und dem Stromkollektor (im Allgemeinen Aluminium)
• einer Anode – der negative Pol der Batterie, bestehend aus einem Anodenmaterial (z.B. Graphit, Kohlenstoff, LTO) und einem Stromkollektor (in der Regel Kupfer)
• einem Separator – in der Regel Polymer- und Keramik, die zwischen Kathode und Anode liegen und eine isolierende Funktion haben (er vermeidet, dass intern ein Kurzschluss entsteht)
• dem Elektrolyt, das ein Lithiumsalz enthält (z.B. LiPF₆). Das Elektrolyt füllt das gesamte Volumen innerhalb der Zelle, wobei es die Elektroden benetzt und Ionen von der Anode zur Kathode und umgekehrt durch die Poren des Separators transportiert werden können.
• Zusatzstoffen – sie haben die Aufgabe, den Transport von Lithium-Ionen von einer Elektrode zur anderen während des Lade- und Entladevorgangs der Zelle zu erleichtern, indem sie die Elektroden selbst (z.B. Ethylencarbonat (EC) und Dimethylcarbonat (DMC)) erhalten

Warum ist es wichtig, die Komponenten einer Lithium-Batterie zu recyceln?

Lithium-Batterien haben zwar eine wesentlich längere Lebensdauer als herkömmliche Akkus, sind jedoch mit der Zeit und mit der Nutzung immer weniger leistungsfähig, wodurch sich die Speicherkapazität (Ah und Wh) und die Fähigkeit zur Abgabe von Stromspitzen (A und W) verringern.

Verbrauch und Abbau des Elektrolyts sowie der Anoden- und Kathodenmaterialien führen dazu, dass Lithium-Batterien eine vorbestimmte Lebensdauer haben, die zum Teil von den Einsatzbedingungen abhängt (Temperatur, Lade- und Entladeströme, Nutzungsspannungsgrenzen).

Die Stromversorgung durch Lithium-Batterien hat in den letzten Jahren ein beispielloses Wachstum erlebt, und aufgrund der steigenden Nachfrage nach Batterien besteht ein zunehmender Bedarf an Mineralien und eine stärkere Ausnutzung der Vorkommen (35 % bzw. 25 % des abgebauten Lithiums und Kobalts werden für die Herstellung von Lithium-Batterien verwendet ^[3]) die jedoch ihre Extraktionsgrenzen erreichen und bei der Extraktion erhebliche Umweltauswirkungen verursachen.

Aus diesem Grund wird die Rückgewinnung der Lithiumbatterie immer wichtiger, insbesondere angesichts der Menge an Batterien, die in den nächsten Jahren produziert und entsorgt werden. Die durch das Recycling verfügbaren Ressourcen können erheblich sein, einen erhebliche Beitrag zu weniger Umweltbelastung leisten und die Ressourcenknappheit der Region teilweise ausgleichen.

Das Recycling von Lithium-Batterien kann daher eine strategische Ressource zur Verringerung von Materialbeschaffungslücken sein

Die Entwicklung der neuen Zellgenerationen berücksichtigt diese Themen weitgehend und reduziert den Kobalt-Anteil; es gibt jedoch auch Lithiumchemikalien wie jene, die vorrangig von Flash Battery verwendet werden (LFP) und vollständig ohne Kobalt auskommen. Die LFP-Technologie, die sicherste und stabilste Technologie, die derzeit auf dem Markt erhältlich ist und eine extrem lange Lebensdauer (über 4.000 Ladezyklen) bietet, ist zudem sicherer zu recyceln und weniger umweltbelastend.

Wie erfolgt die Entsorgung von Lithium-Batterien am Ende ihrer Lebensdauer?

Europa spielt noch keine entscheidende Rolle beim Recycling von Lithium-Batterien. Man denke nur daran, dass im Zeitraum 2013-2014 von 65.500 Tonnen Lithium-Batterien nur 1.900 Tonnen in Europa zurückgewonnen wurden, was zu einem Verlust wertvoller wirtschaftlicher und mineralischer Ressourcen führte.

Diese Lücke hat sich derzeit beträchtlich verringert, aber weltweit werden noch keine 50 % überschritten, ein Wert der in China und Südkorea erreicht wird, wo heute die meisten Tonnen verbrauchte Batterien ihr Lebensende erreichen. Weltweit wurden im Jahr 2018 97.000 Tonnen recycelt, davon 67.000 Tonnen in China, 18.000 Tonnen in Südkorea und nur der verbleibende Rest in Europa.

Es wird geschätzt, dass bis 2030 jährlich 400 bis 500 Mio. EUR (bei aktuellen Preisen) in Form von Aluminium, Kobalt, Nickel und Lithium zurückgewonnen werden können^[4]. Es wird auch davon ausgegangen, dass 2025 die Batterien, die das Ende ihrer Lebensdauer erreichend, etwa 800 Tonnen Mineralien enthalten werden, die entsorgt und zurückgewonnen werden müssen.

Derzeit wird der Entsorgungsprozess und des Recyclings einer Lithium-Batterie hauptsächlich durch den Marktwert ihrer Komponenten und deren Verfügbarkeit in den Recyclingzentren vorangetrieben.

Aus diesem Grund sind Aluminium, Kupfer und Kobalt in Europa (vor allem in Deutschland, wo heute die meisten Betreiber sitzen) die wichtigsten Elemente, da sie in Form von Metalllegierungen als „Black Mass“ (alles, was geschmolzen wird) zurückgewonnen werden, die zusätzliche Schritte bei der Herstellung von direkt in neuen Batterien verwendbare Materialien erfordern.

In China und Südkorea beispielsweise wird Lithium überwiegend in Form von Lithiumcarbonat (Li₂CO₃) gewonnen, und Anodenmaterialien und Kathodenmaterialien werden dank der vielen verfügbaren Abfälle effizienter recycelt. 70 % der Studien zum Recycling werden bisher von China und Südkorea durchgeführt, wo alle aktiven Materialien mit hoher Effizienz recycelt werden können und die Gesamtstoffrückgewinnung bereits über 90 % beträgt. ^[7]

Welche Vorschriften sind beim Recycling von Lithium-Batterien zu beachten?

Der ideale Recyclingprozess einer Lithium-Ionen-Batterie sollte es ermöglichen, nahezu alle Komponenten der Batterien wiederzugewinnen, und es wird davon ausgegangen, dass er in naher Zukunft 95 % ihrer Komponenten übersteigen wird. Wie bereits ausführlich dargelegt, ist das Thema Entsorgung leider bis heute weltweit noch nicht definiert:

• es fehlen klare Regelungen
• spezielle Zentren und Strukturen zur Entsorgung von Batterien befinden sich noch in der Entwicklung

Warum?

Der Hauptgrund liegt darin, dass die Welt der Lithium-Ionen-Batterien noch relativ jung ist und die Batterie darüber hinaus eine lange Lebensdauer hat. Daher sind die zu recycelnden Batteriemengen heute noch sehr gering und rechtfertigen keine echten Investitionen in die Einrichtung von Recyclingzentren (oft sehr teuer: das Recycling von Lithium und anderen Batteriebestandteilen kann mehr Kosten als die Anschaffung aus der Primärquelle).

Dennoch bemühen sich die großen Akteure darum, dass die Industrie nach den Regeln der Recyclingfähigkeit zu produzieren beginnt, indem sie sich an nationalen Recyclingkonsortien beteiligt und die Verwendung von immer leichter recycelbaren Materialien erforscht.

Die Rolle von COBAT bei der Entsorgung von Batterien

Flash Battery beispielsweise hat sich von Anfang an zur Erfüllung der geltenden gesetzlichen Verpflichtungen gemäß der Gesetzesverordnung 188/08 i.d.g.F. eingesetzt und ist bereits seit 2015 Mitglied des COBAT-Konsortiums (Nationales Konsortium für Sammlung und Recycling) für die Verwaltung, Entsorgung und das Recycling von Batterien und Akkumulatoren.

Vierteljährlich müssen die italienischen Unternehmen, die am COBAT-Konsortium beteiligt sind, Beiträge in einem angemessenen Verhältnis zur Anzahl der in Italien in Verkehr gebrachten Batterien entrichten, die zur Finanzierung des in den kommenden Jahren errichteten Systems zum Recycling von Altbatterien dienen.

Die Verantwortung für das Recycling von Batterien, die im Ausland in den Verkehr gebracht werden, liegt dagegen bei den Importeuren in ihrem eigenen Land und muss die einschlägigen Vorschriften und Richtlinien, die dieses Land erlassen hat, in vollem Umfang einhalten.

In der Europäischen Union ist die Sammlung und das Recycling von Batterien und Akkumulatoren durch die Richtlinie 2006/66/EG geregelt (in Italien durch die Gesetzesverordnung 188/08 i.d.g.F.), wonach die Mitgliedstaaten alle erforderlichen Maßnahmen treffen müssen, um die getrennte Sammlung zu optimieren und zu fördern und die Entsorgung dieser Produkte im gemischten Siedlungsmüll zu verhindern. Dies führt zur Einrichtung geeigneter Systeme, damit Altbatterien und Altakkumulatoren an Sammelstellen benutzernah entsorgt und von den Herstellern kostenlos zurückgenommen werden können.

Die Entwicklung neuer, nachhaltigerer Lithium-Technologien

Mit der Richtlinie 2006/66/EG soll das Recycling von Lithium-Altbatterien mindestens 50 % des Gesamtgewichts erreichen und die Finanzierung, Behandlung und letztendlich die Wiedergewinnung geregelt werden. Leider müssen jedoch deutlich höhere Ziele erreicht werden, um eine langfristige Nachhaltigkeit zu gewährleisten (die 95 %, die bereits erwähnt wurden).

Gerade aus diesem Grund werden die neuen Lithium-Technologien in den letzten Jahren nach immer präziseren Kriterien entwickelt:

• Nachhaltiges Design: Beim Bau von Batterien wird der Einsatz umweltschädlicher Materialien (z.B. Kobalt) vermieden und auf Produktionsebene werden insbesondere die verschmutzenden Arbeitsschritte herausgenommen (z.B. Übergang von einer Lagerung in flüssiger Form, bei der flüchtige organische Lösungsmittel verwendet werden, zu einer direkten Lagerung in fester oder halbfester Form, bei der die Menge an Lösungsmitteln erheblich reduziert wird, was wiederum zu einem geringeren Verdampfungsprozess führt und Energie einspart).
• Design für die Entsorgung: Mechanisch gesehen muss die Batterie einfach zu entnehmen und zu öffnen sein, um den Zerlegungsprozess zu beschleunigen (z.B. leicht zu handhabende mechanische Konstruktion).
• Design für das Recycling: Bei der Verwendung von Materialien werden die Batterien von vornherein so konzipiert, dass sie am Ende ihrer Lebensdauer gut recycelt werden können (z.B. Verwendung von Materialien auf wässriger statt organischer Basis).

Die Mission von Flash Battery: Immer besser recycelbare Lithium-Batterien

Die Forschungs- und Entwicklungsabteilung von Flash Battery sucht kontinuierlich nach immer besser recycelbaren und gleichzeitig hochleistungsfähigen Materialien, die die maximale Effizienz der Lithium-Batterie garantieren und Nachhaltigkeit und geringe Umweltbelastung berücksichtigen.

Bereits 2017 hat Roberto Nasi, ein Materialingenieur unserer Forschungs- und Entwicklungsabteilung, in diesem Artikelauszug des „Journal of Solid State Electrochemistry“ die Bedeutung von umweltfreundlichen Alternativen für die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien zum Ausdruck gebracht:

Italiens Engagement für die Rückgewinnung von Lithium-Batterien

Obwohl sich das Thema Recycling, insbesondere in Europa, immer noch in einem Urzustand befindet, ist es bemerkenswert, dass das Engagement der Forscher und der großen internationalen Akteure auf dem Gebiet der Herstellung und des Designs von Lithium-Batterien diesen Themen einen deutlichen Schwerpunkt zuweist, nicht nur in Bezug auf umweltfreundliche Produktion, sondern auch in Bezug auf neue Möglichkeiten der Rohstoffversorgung.

In der Tat, hat die Europäische Kommission auf der Grundlage der EU-Vorschriften über die Unterstützung der Mitgliedsländer ein wichtiges Projekt von allgemeinem europäischem Interesse”IPCEI“, genehmigt, das gemeinsam von Belgien, Finnland, Frankreich, Deutschland, Italien, Polen und Schweden finanziert wird, um Forschung und Innovation im gemeinsamen europäischen Schwerpunktbereich der Batterien zu unterstützen.

Italien beispielsweise steht an vorderster Front bei der Erforschung neuer Technologien: Das COBAT-Konsortium hat zusammen mit dem CNR-ICCOM in Florenz vor kurzem ein Technologiepatent mit Hydro-Metallurgieverfahren angemeldet, das eine effizientere Rückgewinnung von Metallen aus Batterien wie Lithium, Kobalt und Mangan ermöglicht.

Warum diese Notwendigkeit?

Nicht nur, das um Recycling für die Umwelt verbessern, sondern auch, weil unser Kontinent an Lithium und seltenen Metallen mangelt: Wenn wir uns in Europa ausschließlich auf unsere Bergbauressourcen verlassen, können wir den Marktbedarf heute nicht auf eine nutzbringende Weise decken.

Aus dieser Tatsache ergibt sich die Notwendigkeit, Metalle zu recyceln, um unsere Abhängigkeit von China und Südkorea zu verringern, die heute die führende Position bei der Herstellung von Batteriezellen innehaben.

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Bibliographie

^{[1] https://www.energy.gov/eere/articles/how-does-lithium-ion-battery-work
[2] https://www.degruyter.com/view/journals/psr/3/11/article-20170111.xml
[3] Golmohammadzadeh, R.; Faraji, F.; Rashchi, F. Recovery of lithium and cobalt from spent lithium ionbatteries (LIBs) using organic acids as leaching reagents: A review.Resour. Conserv. Recycl.2018,136,418–435
[4] Drabik and Rizos, 2018
[5] https://circularenergystorage.com/
[6] Lebedeva et al, 2017; Dallöf et al, 2019; Lv et al., 2018; Neometals, 2019; Redux, 2019; Umicore, 2019; uRecycle, 2019
[7] https://www.duesenfeld.com/index.html
[8] Nasi, R., et al. New eco-friendly low-cost binders for Li-ion anodes. J Solid State Electrochem 21, 3429–3435 (2017). https://doi.org/10.1007/s10008-017-3665-5}