Wer holt am meisten raus?
Neue Verfahren für das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien
Lithium-Ionen-Akkus etwa aus E-Autos sind kein giftiger Sondermüll: Sie lassen sich gewinnbringend recyceln. Doch für den Massenmarkt müssen die Verfahren noch umweltfreundlicher und effizienter werden. Ein Ansatz dafür kommt von einem jungen Unternehmen aus Niedersachsen.
Fast lautlos gleiten die Batteriemodule auf dem Förderband in die Höhe – ihrem Ende entgegen. Umso lauter poltern sie, wenn sie vom Band in den Schredder fallen. Nach einem halben Dutzend Modulen schließt die Luke und die Kammer wird mit Stickstoff gefüllt, damit die Batteriezellen nicht in Brand geraten, wenn der Schredder sie zerdrückt. Auf einem Monitor am Fuße der Anlage sieht man, wie die Stahlzähne der Walzen die Zellen mit jeder Drehung in kleinere Stücke reißen.
Die Anlage der Firma Duesenfeld im niedersächsischen Wendeburg ist zurzeit noch ein Unikat und relativ klein: Recycelt werden hier vor allem Produktionsausschuss und Batterien aus Versuchsfahrzeugen. Doch die 45 Mitarbeiter des 2016 gegründeten Unternehmens hoffen, dass das von ihnen entwickelte Verfahren künftig zum Standard für das Recycling von E-Auto-Batterien wird.
Denn das Schreddern bietet mehrere Vorteile: Im Vergleich zum Einschmelzen der Akkus verschlingt der Prozess weniger Energie und verursacht geringere CO2-Emissionen. Es ist keine aufwendige Abgasreinigung nötig. Und: Außer den in den Zellen enthaltenen Metallen werden auch weitere Bestandteile wie das Mineral Grafit und der flüssige Elektrolyt zurückgewonnen. Insgesamt könne man 91 Prozent der Zellmaterialien wiederverwerten, wirbt Duesenfeld.
Milliardenmarkt Akku-Recycling
Ein effizientes, umweltfreundliches Batterierecycling ist ein wichtiger Baustein für den Erfolg der E-Mobilität. Denn Metalle wie Kobalt, Nickel und Kupfer aus Erzen zu gewinnen frisst enorm viel Energie. Je höher die Recyclingquote, desto besser fällt die Ökobilanz eines E-Autos aus. Doch es geht nicht nur um dem Umweltschutz: Europa will durch das Recycling auch unabhängiger werden von Rohstofflieferanten wie China. Die im Dezember beschlossene Batterieverordnung der EU schreibt erstmals Mindestwerte für die Rückgewinnung von Metallen aus Altbatterien sowie Mindestanteile für Rezyklate in neuen Batterien vor.
Für Recyclingfirmen tut sich ein neuer Milliardenmarkt auf. Forscher des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung (ISI) schätzen, dass die Menge der in Europa zu recycelnden Lithium-Ionen-Batterien von aktuell deutlich unter 100.000 Tonnen bis 2040 auf 1,5 Millionen Tonnen pro Jahr steigen wird. Der Wert der recycelten Materialien ist schwer abzuschätzen, da die Rohstoffpreise stark schwanken. Mit den Preisen auf dem Niveau von 2020 könnten europäische Recyclingfirmen im Jahr 2040 Metalle im Wert von über fünf Milliarden Euro aus Altbatterien herausholen, haben die Fraunhofer-Forscher ausgerechnet.
Wer von diesem Kuchen die größten Stücke abschneiden wird, ist noch offen. Neben Newcomern wie Duesenfeld steigen auch Auto- und Chemiekonzerne in das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien ein, beispielsweise Volkswagen und BASF. Es gibt aber auch eine Reihe etablierter Recyclingfirmen, die Erfahrung mit Akkus aus Kleingeräten wie Notebooks und Smartphones gesammelt haben und nun auf Wachstum aus sind.
Wertvolle „Schwarzmasse“
Bei Duesenfeld in Wendeburg verwandelt der Schredder die Batteriemodule in eine klebrige Masse aus flüssigem Elektrolyt sowie Kunststoff- und Metallsplittern. Das Gemisch wird im nächsten Schritt bei Unterdruck und weniger als 80 Grad Celsius getrocknet. „So stellen wir sicher, dass keine giftigen Fluorwasserstoffe entstehen und wir keine Abgaswäsche benötigen“, erklärt Frank Kleineidam, Geschäftsführer des Unternehmens.
Der Trocknungsprozess lässt das organische Lösungsmittel des Elektrolyten verdampfen. Duesenfeld kondensiert die klare Flüssigkeit und sammelt sie in einem Auffangbehälter. Sie könnte theoretisch wiederverwendet werden, aktuell wird das noch nicht praktiziert. Die restlichen Bestandteile der Batteriemodule wandern in eine mechanische Sortieranlage. Magnete, Luftströme und Siebe trennen Aluminium, Kupfer, Kunststoffe und die sogenannten Aktivmaterialien. Letztere stecken in schwarzem Pulver, das am Ende der Anlage in große weiße Säcke rieselt. In dieser sogenannten Schwarzmasse (fachsprachlich „Black Mass“ genannt) stecken das besonders wertvolle Kobalt sowie Nickel, Mangan, Lithium und Grafit. Duesenfeld verkauft das Pulver an Chemieunternehmen, welche die Metalle in Laugen und Lösungen separieren. Da dabei flüssige Chemikalien zum Einsatz kommen, sprechen Experten von Hydrometallurgie.
Wie wertvoll die Schwarzmasse ist, verrät ein Blick auf die Webseite metal.com. Hier veröffentlicht das chinesische Unternehmen Shanghai Metals Market aktuelle Preise. Anfang Januar 2023 wurden demnach 26.700 Dollar pro Tonne Black Mass gezahlt. Duesenfeld arbeitet nach eigenen Angaben durch den Verkauf der Schwarzmasse profitabel und finanziert mit den Erlösen obendrein seine Forschung. Dieser Punkt ist für das Unternehmen zentral, denn Kleineidam und sein Team verstehen sich als Entwickler. Sie wollen keine Schredder im industriellen Maßstab betreiben, sondern Lizenzen für ihre patentierten Verfahren vermarkten.
Schreddern oder schmelzen
Der belgische Konzern Umicore recycelt bereits heute Altbatterien im industriellen Maßstab – aktuell vor allem Lithium-Ionen-Akkus aus Kleingeräten. Seine Anlage in Hoboken, einem Vorort von Antwerpen, hat eine jährliche Kapazität von rund 7000 Tonnen. Mit der Erfahrung aus diesem Standort plant das Unternehmen für 2026 eine größere Anlage an einem noch ungenannten europäischen Standort. Diese soll bis zu 150.000 Tonnen pro Jahr verarbeiten und damit eine bedeutende Rolle beim Recycling von E-Auto-Akkus spielen.
Auch technisch verfolgt der Konzern einen anderen Ansatz als Duesenfeld. Er schmilzt die Altbatterien bei rund 1000 Grad Celsius in einem Hochofen ein – Fachleute sprechen vom pyrometallurgischen Recycling. Dabei entsteht eine Legierung, aus der man anschließend hydrometallurgisch Nickel, Kobalt und Kupfer zurückgewinnen kann. Übrig bleibt außerdem eine Schlacke, die unter anderem Aluminium und Mangan enthält. Sie wird beispielsweise im Straßenbau eingesetzt. In einem weiteren chemischen Verfahren kann das Lithium aus der Schlacke oder dem Abgasstrom zurückgewonnen werden. Der Elektrolyt und der Grafit gehen beim Schmelzen verloren.
„Unser Prozess hat weniger Verluste bei der Rückgewinnung des Aktivmaterials im Vergleich zum Schreddern und kommt mit sehr unterschiedlichen Qualitäten und Zusammensetzungen gut zurecht“, zählt Christian Hagelüken die Vorteile der Pyrometallurgie auf. Er ist „Director EU Government Affairs“ bei Umicore. Beim Schreddern löst sich nicht das gesamte Material der Anode und Kathode von der Alu- und Kupferfolie. Beim Schmelzen erfolgt hingegen eine komplette Trennung. Umicore kann nach eigenen Angaben „über 95 Prozent“ des Kobalts, Kupfers und Nickels zurückgewinnen, beziffert aber nicht die Recyclingquote für alle Zellmaterialien.
Restladung befeuert Hochofen
Die EU-Batterieverordnung sieht ab 2027 einen Höchstwert für den CO2-Fußabdruck einer Batterie vor. In die Berechnung fließt auch der CO2-Ausstoß des Recyclings ein. Man könnte vermuten, dann machen Batteriehersteller einen Bogen um Rezyklate aus dem Hochofen. Doch diese Sorge teilt Hagelüken nicht: „Die Berechnungsmethode ist noch ungeklärt und der Energieaufwand für das Schmelzen ist bei Weitem nicht so hoch wie viele vermuten.“
Denn die Restladung in den Batterien sowie Grafit und Elektrolyt dienen beim Schmelzprozess als Energielieferanten. Auch, dass beide Rohstoffe fürs Recycling verloren sind, sieht Hagelüken nicht als Nachteil: „Es ist fraglich, wer zehn Jahre alten Grafit und Elektrolyt in neuen Batterien einsetzen möchte. Da gibt es zum einen Abnutzungserscheinungen und zum anderen ist die Innovationsgeschwindigkeit bei der Zellchemie viel zu hoch.“
Ob E-Auto-Batterien künftig in der Regel geschreddert oder eingeschmolzen werden oder beide Verfahren gleichermaßen wichtig bleiben, muss sich zeigen. Aus Sicht des Batterierecyclingexperten Jörg Zimmermann von der Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie (IWKS) schneidet der Schredder in Sachen Recyclingquote und CO2-Ausstoß jedoch besser ab als der Hochofen. Der pyrometallurgische Prozess sei „bezüglich des Entwurfs der neuen EU-Batterieverordnung nicht optimal und muss verbessert werden“, sagt er. Andererseits müsse aber die mechanische Zerkleinerung „erst noch unter Beweis stellen, dass sie im industriellen Maßstab so robust ist wie der Hochofen“.
Teure Handarbeit
Denn vor dem Schreddern müssen die E-Auto-Batterien zunächst entladen werden, um das berüchtigte „thermische Durchgehen“ zu verhindern. Die Mitarbeiter müssen dafür speziell geschult sein, denn die Spannungen von mehreren Hundert Volt sind lebensgefährlich. Bei Akkus aus Kleingeräten wie Notebooks und Smartphones würde sich das aufwendige Entladen gar nicht rechnen. Duesenfeld recycelt solches Material deshalb nicht. Die großen Batteriepakete von E-Autos müssen dann noch von Hand in Module zerlegt werden, was ebenfalls aufwendig ist. „Darum, aber auch aus Sicherheitsgründen muss es mindestens zu einer teilautomatisierten Zerlegung der Batterien kommen“, sagt Fraunhofer-Experte Zimmermann.
Aber auch die Automatisierung ist nicht einfach. Die einen Hersteller verkleben, die anderen verschrauben und Dritte verschweißen das Batteriegehäuse. In den Batteriepaketen stecken Module, die wiederum die Batteriezellen in unterschiedlichen Formaten enthalten. Kommende Generationen werden im Cell-to-Pack-Verfahren konstruiert. Dabei sind die Batteriezellen direkt im Batteriegehäuse montiert. Außer dem Aufbau ist auch die Zusammensetzung der Aktivmaterialien häufig eine Überraschung. Dabei wird der geplante EU-Batteriepass helfen. Recycler sollen bereits vor dem Öffnen erfahren, was sie erwartet.
Wie man das in industriellen Größenordnungen realisiert, ist noch nicht abschließend beantwortet. Aktuell wird viel ausprobiert. Volkswagen nutzt in einer Pilotanlage in Salzgitter ein Verfahren, dass dem von Duesenfeld sehr ähnlich ist. Der Chemiekonzern BASF errichtet derzeit eine Pilotanlage am Standort Schwarzheide in Brandenburg. Nach erfolgreichem Probelauf soll zur Mitte des Jahrzehnts eine großtechnische Anlage den Schredderbetrieb sowie die Hydrometallurgie aufnehmen. BASF will so den Kreislauf schließen, denn in Schwarzheide stellt das Chemieunternehmen Kathodenmaterial für Batterien her.
Recyclingunternehmen wie Accurec und Redux zerkleinern Batterien ebenfalls mechanisch, behandeln sie aber thermisch vor: Sie lassen bei mehreren Hundert Grad Celsius den Elektrolyt verdampfen, was die Brandgefahr beim Zerkleinern bannt. Die Hitze löst zudem den Kleber der Trägerfolien. Hat sich der Kleber gelöst, lassen sich Folie und Aktivmaterial sauber trennen [1]. Die optionale thermische Vorbehandlung sei aber „generell energieintensiv und vergrößert den CO2-Fußabdruck deutlich“, urteilt eine Studie des Fraunhofer-Instituts ISI.
Dezentrale Schredder
Jörg Zimmermann von der Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie (IWKS) setzt hingegen auf Wasser: Der Experte betreibt im Hanauer „Zentrum für Demontage und Recycling – Elektromobilität“ eine Versuchsanlage. Hier werden Batteriezellen mit Druckwellen unter Wasser zerkleinert. Das Verfahren trennt zum einen sehr effektiv die unterschiedlichen Materialien der Zellen. Zum anderen verhindert das Wasser Brände und leitet Wärme gut ab.
Frank Kleineidam, der Geschäftsführer von Duesenfeld, bringt noch einen Vorteil des Schredderns ins Spiel: Denkbar sind dezentrale Schredderanlagen, dort wo die Batterien aus den E-Autos entnommen werden. Die Schwarzmasse könnte dann per Lkw zu einer zentralen hydrometallurgischen Anlage transportiert werden. Dagegen ist jede Fahrt mit Altbatterien ein Gefahrguttransport mit deutlich höheren Kosten.
Egal welches Recycling-Verfahren sich durchsetzt, einig sind sich die Experten bei einem: Der CO2-Ausstoß ist beim Recycling kleiner als beim Abbau der Rohstoffe in Minen und dem nachfolgenden Transport. Duesenfeld senkt seinen CO2-Ausstoß zudem durch Nutzung der Restenergie der angelieferten Batterien. „Durch unsere sichere und effiziente Entladung decken wir inzwischen 50 Prozent des Strombedarfs unserer Anlage“, sagt Kleineidam, „Der Rest ist Ökostrom. Für unsere CO2-Bilanz wirkt sich das positiv aus.“ (cwo@ct.de)