Batterierecycling: So wird es effizient, ökologisch und wirtschaftlich
Wissenschaftler des MEET Batterieforschungszentrums der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster haben herausgefunden, dass der Ansatz „Design for Recycling“ dazu beitragen könnte, eine nachhaltige Batteriewirtschaft aufzubauen.
Eine nachhaltige Batteriewirtschaft könne nach Ansicht der Forschenden dazu beitragen, Batterien nachhaltig und effizient zu recyceln.
Foto: panthermedia.net/destinacigdem
Batterien gewinnen immer mehr an Bedeutung. Das liegt nicht nur daran, dass sie heute in allen erdenklichen Geräten integriert sind, die unseren Alltag erleichtern – wie Smartphones und Laptops. Vor allem aber sind Batterien wichtig, wenn es um die Zukunft der Stromversorgung und die Mobilität von morgen geht. Schließlich sind sie in der Lage, Strom aus erneuerbaren Energien zu speichern. Das ist entscheidend, da Sonne und Wind nicht rund um die Uhr zuverlässig Strom liefern. Er muss also gespeichert werden können, um ihn zur passenden Zeit nutzen zu können. In Elektroautos stellen Batterien sozusagen das Herzstück dar. Ohne sie gäbe es keine Fortbewegung. Denn auch hier speichern sie die Energie, die das Auto zum Fahren benötigt. In beiden Fällen hat sich die Lithium-Ionen-Batterie aktuell als Standard etabliert. Die Gründe: Sie hat eine hohe Energiedichte, eine hohe spezifische Energie und bietet eine gute Fähigkeit zum Wiederaufladen.
Die erste waschbare Batterie ist da
Batterien sind in ihrer Herstellung und ihrer Entsorgung allerdings bisher noch ein Problem. Es werden verschiedene Stoffe benötigt, die zum Teil zu den Seltenen Erden gehören. Sie sind also nicht unbegrenzt vorhanden. Zudem lassen sich die meisten Materialien nur sehr schlecht oder aufwendig recyceln. Forschende beschäftigen sich deshalb seit einiger Zeit mit genau dieser Problematik. Ein Team des MEET Batterieforschungszentrums der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) Münster hat sich explizit mit den Herausforderungen neuer Materialkonzepte für das Batterierecycling beschäftigt und kommt zu dem Schluss, dass vor allem „Design for Recycling“ ein vielversprechender Ansatz sei.
Batterierecycling und die Idee „Design for Recycling“
„Die dynamische Entwicklung des Batteriemarkts spiegelt sich auch in den eingesetzten Materialien wider. Auf Seiten der Aktivmaterialien wird beispielsweise oft ein Materialmix eingesetzt, der es erschwert, hohe Recycling-Effizienzen und Reinheiten der einzelnen Rohstoffe zu erreichen“, sagt Sascha Nowak, Bereichsleiter Analytik und Umwelt am MEET Batterieforschungszentrum der WWU. Münster. Auch der geringere Materialwert bestimmter Aktivmaterialien wie Lithium-Eisen-Phosphat (LFP) im Vergleich zu Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Oxid (NMC) senke die Profitabilität des Recyclings.
Bei der Idee „Design for Recycling“ ginge es darum, Verschraubungen und Verbindungen, die sich zwischen Modulen oder Zellen befinden, zu standardisieren und sie so zu entwickeln, dass zugleich auch die Demontage der Zellen möglichst automatisiert funktioniere. Auch das Materialdesign haben die Forschenden dabei im Blick. Wasserbasierte Bindersysteme für Elektrodenmaterialien wären beispielsweise effizienter als potenziell toxische Lösungsmittel, die dann das Recycling besonders teuer machten.
Batterierecycling braucht eine zirkuläre Produktionskette
Die Forschenden haben darüber hinaus noch einen weiteren Ansatz entwickelt: das direkte Recycling. „Dabei werden Aktivmaterialien, hauptsächlich aus der Kathode, nach dem Gebrauch durch Relithiierung reaktiviert, um sie direkt in neuen Zellen verbauen zu können, ohne dass eine vollständige Resynthese der Materialien erfolgen muss“, erläutert Jonas Neumann, Doktorand am MEET Batterieforschungszentrum. Das ließe sich aber nicht so ohne weiteres umsetzen, da in einigen Ländern unterschiedliche rechtliche Rahmenbedingungen vorliegen. In China und der EU zum Beispiel sind die Batterieproduzenten für das Recycling der Batterien verantwortlich. Dazu kämen Bestimmungen für Sammelraten gebrauchter Batterien sowie Ziele für die Rückgewinnung des Materials. Die USA setzen dabei hauptsächlich auf das Recycling von Nickel-Cadmium- und Blei-Säure-Akkus.
Betrachte man die drei hauptsächlichen Einsatzgebiete der Batterien – Unterhaltungselektronik, Elektro-Autos und Stromspeicher – kommen die Forschenden zu folgenden Ergebnissen: Wolle man in der Unterhaltungselektronik eingesetzte Batterien effizient recyceln, müssten vor allem die Inhaltsstoffe klar erkennbar sein. Dazu brauche es eine effektive Trennung der unterschiedlichen Materialien. Das könne aber unter Umständen den Aufwand bei den Verbraucherinnen und Verbrauchern erhöhen und somit die Sammelquote reduzieren. Deshalb schlagen die Forschenden den Aufbau einer geeigneten Sammelinfrastruktur, standardisierte Batterieetiketten und verbindliche Sammelquoten vor. Für Batterien in E-Autos und solche, die als Stromspeicher dienen, müssten vor allem eine zirkuläre Produktionskette aufgebaut werden. Das beinhalte eine bessere Trennung der Materialströme zu Beginn des Recyclings, mit dem Ziel eine höhere Produktreinheit und Recyclingeffizienz zu erreichen, was am Ende zu einer wettbewerbsfähigen Batterierecyclingindustrie beitrage. Die neue Produktionskette basiere dabei auf drei miteinander verbundenen Zyklen: Der erste sei die Nutzungsphase, im zweiten würden sie bis auf Zellebene zerlegt, damit sie im dritten sortiert und je nach Zustand direkt wiederverwendet werden könnten oder dem finalen Recyclingkreislauf zugeführt werden müssten.
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