Recycling von Lithium-Ionen-Akkus

Lithium-Ionen-Akkus sind in unserem Alltag nicht mehr wegzudenken, denn Sie befinden sich in Smartphones, Notebooks, Digitalkameras, E-Bikes und in Elektro-Autos. Die Erfindung stammt aus den 1980er Jahren und die Erfinder dieser Lithium-Ionen-Batterien erhielten vorletztes Jahr den Nobelpreis für Chemie. Dies zurecht, denn ohne sie wäre weder der Erfolg des Smartphones, noch die E-Mobilität möglich. Die Vorteile dieser Akkus sind offensichtlich, denn sie bieten mehr Leistung auf kleinem Raum als andere Techniken. Aber auch die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Akkus geht einmal zu Ende, jedoch wertlos sind sie deshalb noch lange nicht. Im Gegenteil, auch im Second-Life-Einsatz tun sie noch lange ihre Dienste. In wenigen Jahren werden Elektroauto zum normalen Straßenbild gehören und damit auch die Entsorgung von Lithium-Ionen-Akkus.

Wertvolle Rohstoffe in Lithium-Ionen-Akkus

Die Akkus enthalten viele Rohstoffe, unter anderem sind Lithium und Kobalt zu wertvoll um ungenutzt zu bleiben. Durch die Wiederverwertung werden diese Schätze gehoben. In einem aktuellen Lithium-Ionen-Akku der 50-kWh-Klasse und einer Reichweite von 250 bis 300 km, befinden sich in etwa 11 kg Kobalt, 10 kg Mangan, 32 kg Nickel und bis zu 6 kg Lithium. Es besteht die Möglichkeit den Gehalt des relativ seltenen Kobalts in den zukünftigen Akku-Generationen zu halbieren, jedoch wird der Nickelanteil etwas ansteigen. Ein konstanter Anteil ist mehr als 100 kg Graphit, demzufolge Kohlenstoff in kristalliner Struktur und ein flüssiger Elektrolyt.

Recycling mit zwei unterschiedlichen Verfahren

Zum einen ist das Einschmelzen in Hochöfen im Gespräch und zum anderen das mechanische Zerkleinern in Kombination mit chemischer Herauslösung der Einzelteile. Letzteres ist zudem mit viel Handarbeit verbunden. Bei beiden Verfahren, der mechanischen Zerkleinerung und dem Einschmelzen, müssen die Akkus demontiert werden. Diese bestehen aus Zellen, in denen die Elektronik und die Kühlelemente untergebracht sind. Bei der Demontage bleibt der Kunststoff, die Kupferleitungen sowie die Metallteile über, jedoch gelangt alles in das Wertstoffrecycling.

Einschmelzen:

Durch die verschiedenen Schmelztemperaturen lassen sich die Metalle trennen und sind daher entscheidend für die Wiederverwertung. Die wertvollsten metallischen Bestandteile sind Kupfer, Kobalt und Nickel und sie lassen sich in verschiedenen Temperaturphasen gut trennen. Somit kann bis zu 95 % des Kobalts aus dem recycelten Akku zurückgeholt werden. Was zurück bleibt ist Schlacke, die zum Großteil aus Lithium aber auch aus Eisen und Aluminium besteht. Durch ein hydrometallurgisches Verfahren kann das Lithium von der Schlacke getrennt werden. Seit 2012 hat der belgische Konzern Umicore in Antwerpen eine Pilotanlage gebaut und durch Einschmelzen bis zu 7.000 Tonnen an Altakkus recycelt.

Kritikpunkte: Beim Einschmelzen wird sehr viel Energie benötigt und damit es sich auszahlt, müssten Anlagen im Jahr über 100.000 Tonnen verarbeiten können. Auch eine flexible Arbeitsweise wäre notwendig, damit die Anlagen in Zukunft verschiedene Akku-Technologien zu verwerten imstande sind. Beispielsweise die neuen Festkörperbatterien oder auch anderen Metallmix. Ein weiterer Kritikpunkt beim Einschmelzen ist, dass durch die Verbrennung von Elektrolyten giftige Fluorgase entstehen. Diese müssen mit einer speziellen Abgaswäsche neutralisiert werden.

Mechanische Zerkleinerung in Kombination mit chemischer Herauslösung:

In der Nähe von Braunschweig, in einer ehemaligen Stahlbaufirma gibt es eine Pilotanlage, das Unternehmen Duesenfeld, welches von Christian Hanisch gegründet wurde. Dieser möchte nahezu alles recyceln, auch den Anoden-Werkstoff Graphit und den Elektrolytwerkstoff. Die Akkumodule werden nach der manuellen Vorarbeit in einem containergroßen Schredder zerkleinert und die Materialien mechanisch getrennt. Die Bedingung jedoch ist, den Maschinenraum vorher zu fluten, bevor der Schredder sein Werk verrichten kann. Das geschieht einerseits darum, um bei der Verarbeitung das Entflammen zu vermeiden, andererseits wird es für den Abtransport des verdampfenden Elektrolyten benötigt. Dieser kondensiert an den Wänden der Anlage bei Umgebungstemperatur und kann somit z. B. bei der Lösungsmittelproduktion wiederverwendet werden. Die Trennung der Metalle und des Plastiks erfolgt mechanisch und durch Magnete.

Regionale Verteilung von mechanischem Recycling in der Zukunft

Solche Anlagen wie im Braunschweig, die imstande sind 500 kg Batterien in der Stunde zu verarbeiten, werden in Zukunft regional verteilt stehen. Somit wäre ein längerer Transport für Altakkus nicht mehr notwendig.

So befinden sich die wirklich wertvollen Stoffe nicht im Elektrolyten, sondern im Mahlgut des Lithium-Ionen-Akkus, der aus dem ersten Container stammt. Die weitere Unterteilung der Werkstoffe erfolgt im nächsten Container. Somit ähnelt der Vorgang einer Getreidemühle, wo zunächst die Spreu von Weizen getrennt wird. Damit sind in diesen Kontext natürlich die leichten von den schwereren Bestandsteilen gemeint. So werden die schweren Teile nochmals nach elektrischen und magnetischen Eigenschaften sortiert, damit schlussendlich Kupfer und Aluminium in reiner Form vorliegt. Die leichten Bestandteile bleiben als schwarzes Pulver übrig.

Neue regionale Anlagen vorgesehen

Die weitere Verarbeitung dieses Pulvers muss in einer hydrometallurgischen Anlage aufbereitet werden, denn die Stofftrennung erfolgt mittels einer Säure. Momentan gibt es für diesen Arbeitsprozess einen externen Dienstleister, aber das soll sich bald ändern. Laut Duesenfeld liegen schon Pläne für eine neue Anlage vor, die im nächsten Jahr realisiert werden sollen. Das Ziel ist, 96 % aller Akkumaterialien in einer Reinheit zurückzugewinnen, damit sie für die Wiederverwendung in der Batterieproduktion genutzt werden können. Für Heinisch ist das ein Gewinn für die Ökobilanz, denn eine Tonne recycelter Batterien, sparen bis zu 4,5 Tonnen Kohlendioxid ein.

Good News, denn nächstes Jahr soll neben einer Batteriefabrik auch eine Batterierecycling Pilotanlage, bei Volkswagen in Salzgitter in Betrieb genommen werden. Bei der Verarbeitungsmethode soll es sich auch um die mechanische Zerkleinerung in Kombination mit chemischem Herauslösen der Werkstoffe handeln. Der Verantwortliche Thomas Schmall bestätigte dies und fügte hinzu, dass vorerst 90 % Recylingsquote angestrebt wird. Aber es bleibt noch Zeit zur Optimierung, denn bis jetzt stehen noch nicht genügend Altakkus von Elektroautos bereit.