Recycling: Nachhaltige Batterien für Elektrofahrzeuge
E-Mobilität nimmt gerade erst richtig Fahrt auf, doch bis zum Jahr 2040 rechnen Forschende mit einem riesigen jährlichen Aufkommen an Altbatterie-Rückläufern. Es braucht Konzepte und Techniken für einen nachhaltigen Umgang mit den alten Lithium-Ionen-Batterien. Projekte wie „LiBinfinity“ sollen dabei helfen, die gewaltigen Herausforderungen zu meistern.
Das nachhaltige Recyceln von Lithium-Ionenen-Batterien ist eine gewaltige Herausforderung
Foto: Markus Breig, KIT
E-Mobilität hat in den vergangenen Jahren richtig Fahrt aufgenommen. Immer mehr Menschen entscheiden sich beim Neuwagenkauf für ein Elektroauto. Doch irgendwann haben die Batterien ausgedient. Noch ist es überschaubar, doch bis 2040 rechnen Forschende mit einer riesigen Menge an Altbatterie-Rückläufern. Was damit tun? Recycling und Wiederverwertung sind bislang noch nicht optimal gelöst, doch es besteht Hoffnung, dass dies bald anders wird. In „LiBinfinity“ erarbeiten Forschung und Industrie ein ganzheitliches Konzept zur Wiederverwertung der Materialien von Lithium-Ionen-Batterien (LIB). Wir haben einmal etwas genauer hingeschaut.
Batterierecycling eine gewaltige Herausforderung
Da Batterien in Elektrofahrzeugen eine prognostizierte Lebensdauer von rund 10 Jahren oder 150.000 bis 200.000 Kilometern haben, ist das Recyclinggeschäft noch gar nicht richtig angelaufen. Die meisten Fahrzeuge sind noch zu jung und zu wenig gelaufen. Das wird sich in den nächsten 15, 20 Jahren jedoch gewaltig ändern. Immer mehr Neufahrzeuge werden elektrisch angetrieben und immer mehr Fahrzeuge benötigen eine neue Batterie.
Das Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI in Karlsruhe hat einige Zukunftsszenarien erstellt. Die europäische Rücklaufmenge für LIB könnte von derzeit unter 50 Kilotonnen pro Jahr bis 2030 auf 600 Kilotonnen und bis 2040 auf 1.500 Kilotonnen pro Jahr steigen. Je nach Entwicklungsszenario könnten es aber auch 2.500 Kilotonnen im Jahr werden. Batterierecycling bedeutet daher eine gewaltige Herausforderung für die Zukunft.
Warum ist Batterierecycling so wichtig?
Für die Herstellung von LiB werden Materialien wie Lithium, Aluminium, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Graphit und vermehrt auch Silizium genutzt. Diese findet man hauptsächlich außerhalb Europas. Dort sind sie prinzipiell in ausreichendem Maße vorhanden, dennoch stellen Abbau und Aufbereitung eine hohe ökologische Belastung dar. Etwa die Hälfte der mit der Batterieherstellung verbundenen CO2-Emissionen entfallen auf den Abbau von Rohstoffen und die Materialherstellung.
Umso wichtiger ist es, die Materialien aus Altbatterien zu recyceln und für neue Batterien zu verwenden. Je höher der Wiederverwendungsgrad, desto kleiner wird der ökologische Fußabdruck in der Batterieherstellung. Hinzu kommt, dass der Abbau der Materialien oft in Regionen mit problematischen Abbaubedingungen erfolgt und man sich in eine Abhängigkeit begibt. Wohin das führen kann, sehen wir gerade beim Gas.
Worauf kommt es beim Recycling an?
Für die bis 2040 zu erwarteten Rücklaufmengen braucht es entsprechende Anlagen und Kapazitäten, um Altbatterien in diesem Umfang recyclen zu können. Die entsprechende Anlagentechnik bis dahin aufzubauen, ist eine Herausforderung an sich. Darüber hinaus geht es noch darum, die Technik der Wiederaufbereitung so zu verbessern, dass praktisch alle Materialien wieder für neue Batterien verwendet werden können. Bislang sind es rund 90 Prozent.
Vor allem bei der Elektrifizierung von Lkws benötigen die Akkus so viel Material, dass ein Einsatz der Rezyklate für andere Anwendungen nicht ausreichend ist. Vielmehr bedarf es eines geschlossenen Kreislaufs bei den Akkus selbst. Das bedeutet, die Materialien aus gebrauchten Akkus zur Herstellung neuer Akkus zu verwenden, sagt Professor Helmut Ehrenberg, Leiter des Instituts für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme des KIT in Karlsruhe.
Das Batterierecycling ist recht komplex, denn die für die Herstellung von Batterien benötigten Materialien müssen eine besondere Reinheit besitzen. Hier setzt das Forschungsprojekt LiBinfinity an. Projektpartner sind neben dem KIT Karlsruhe die Mercedes-Benz AG, die Daimler Truck AG, die Primobius GmbH, die SMS group GmbH, die Technische Universität Clausthal und die Technische Universität Berlin.
So funktioniert das Recycling
LiBinfinity möchte ein ganzheitliches Konzept für Batterierecycling etablieren. Es geht darum, Prozesse, die im Labor erfolgreich getestet wurden, so umzubauen, dass eine industrielle Nutzung möglich ist. Mit einer Recycling-Pilotanlage wird der Ansatz in eine prototypische Anwendung gebracht. Die Pilotanlage entsteht am Mercedes-Benz-Standort Kuppenheim und wird eine Jahreskapazität von 2.500 Tonnen haben.
Insbesondere geht es bei dem neuen Verfahren darum, die Materialien aus den alten Batterien, die sich nicht mechanisch trennen lassen, energieeffizient voneinander zu trennen. Das geschieht in diesem Fall unter relativ niedrigen Temperaturen mithilfe von Wasser und Chemikalien.
Anschließend werden die gewonnenen Materialien auf ihre Eignung zum Herstellen neuer Akkus geprüft. Wie bereits geschrieben, ist eine besondere Reinheit notwendig, weshalb hier ganz genau hingeschaut und geprüft werden muss. Das gilt insbesondere für die Kathodenmaterialien, diese bestimmen Effizienz und Lebensdauer einer Batterie ganz wesentlich mit.
Ziel: Geschlossene Kreisläufe
Wie bereits geschrieben, wird es bis 2040 einigen gewaltigen Anstieg bei den Rückläufen von Altbatterien geben. Insbesondere wird die Elektrifizierung von LKWs mit riesigen Batterien zügig voranschreiten. Um seine Rohstoffabhängigkeit möglichst gering zu halten, sollen Batteriezellen „Made in Europe“ daher besonders nachhaltig unterwegs sein, so wünscht es sich das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz. Das soll mit geschlossenen Rohstoffkreisläufen bei der Batterieproduktion gelingen.
Ein Mosaikstein hierbei ist LiBinfinity, das höhere Recyclingquoten ermöglicht und ganz ohne energieintensive Prozessschritte auskommt. Das ganzheitliche Recyclingkonzept verbessert nicht nur die Nachhaltigkeit der Elektromobilität unter ökologischen, ökonomischen und sozialen Aspekten, sondern verringert auch Europas Rohstoffabhängigkeiten. So wirbt zumindest das Forschungsprojekt. Bleibt zu hoffen, dass dies gelingt.
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