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E-Auto-Batterien : Viel zu kostbar für den Abfall

  • -Aktualisiert am

Weniger als 3000 Ladestationen gibt es derzeit in Deutschland: Die Ladestecker und Zahlungssysteme sind hierzulande noch nicht vereinheitlicht. Bild: dpa

Ein Elekroauto-Boom hätte Folgen: Ohne die Wiedergewinnung von Lithium würden Batterien bald unerschwinglich. Ein deutsches Recycling-Verfahren könnte richtungsweisend sein.

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          Lithium ist das Schlüsselmaterial für viele tragbare Elektrogeräte. Denn das Leichtmetall und seine Verbindungen stecken in jeder Lithium-Ionen-Batterie. Die elektrischen Kraftpakete versorgen Handys, Kameras, Notebooks oder Akkuschrauber mit elektrischem Strom. Gut ein Drittel der jährlichen Produktion von Lithium-Verbindungen entfällt bereits auf diesen Bereich; und mit der Markteinführung von Elektro- und Hybridfahrzeugen erwarten Branchenkenner noch einmal eine deutliche Steigerung der Nachfrage an Lithium. Da kommt ein Verfahren gerade recht, das Forscher von der TU Bergakademie Freiberg entwickelt haben. Es ermöglicht nämlich eine wirtschaftliche Gewinnung von Lithiumkarbonat - in dieser Form wird Lithium häufig gehandelt - sowohl aus einheimischem Erz als auch aus Altbatterien.

          Lithium kommt einerseits in großen Mengen in Salzseen in Chile vor und wird ähnlich wie Meersalz durch Eintrocknen der Sole in künstlichen Teichen gewonnen. Der Energieaufwand dafür ist vergleichsweise gering, allerdings sind die Ausbeuten eher bescheiden.

          Chemetall gewinnt Lithium in den chilenischen Anden, wo salzhaltiges Wasser in Becken geleitet wird, wo es verdunstet - zurück bleiben Salzkristalle

          Andererseits gibt es lithiumhaltige Erzlager vor allem in Australien, Kanada oder China, aber auch in Europa. Hier sind die erzielbaren Ausbeuten höher, jedoch muss man viel Energie aufwenden, um das begehrte Leichtmetall und seine Verbindungen aus den Mineralien herausholen zu können. Das könnte sich mit dem in Freiberg entwickelten Verfahren bald ändern.

          Ressourcenschonendes Recycling 

          Als Ausgangsstoff nehmen Martin Bertau und seine Kollegen das silikatische Lithiumerz Zinnwaldit, das nach seinem Erstfundort im Erzgebirge benannt ist. Das Erz gehört zu den sogenannten Glimmern und enthält neben Lithium noch Silizium, Eisen, Aluminium, Kalium und Fluor - ein komplexes Gemisch, das die Aufarbeitung erschwert. Die Chemiker erhitzen deshalb das zerkleinerte Material zunächst auf 1000 Grad Celsius. Dabei bildet sich gasförmiges Siliziumfluorid, das aus dem Gemisch entfernt wird.

          Der Rückstand wird dann mit überkritischem Kohlendioxid und Wasser behandelt. Das darin enthaltene Lithium wird dabei in Lithiumhydrogenkarbonat überführt und kann ausgelaugt werden. Wird die konzentrierte Lauge erhitzt, bleibt reines Lithiumkarbonat zurück. Der Clou: Die Begleitelemente, vom Eisen bis zum Fluor, lassen sich weitgehend mit verwerten, so dass das Verfahren in hohem Maße ressourcenschonend arbeitet.

          Zinnwaldit

          Das Verfahren ist auch für Altbatterien geeignet. Lithium-Ionen-Akkus werden zwar schon heute gesammelt und aufbereitet. Bislang holt man aber nur den Kobaltanteil heraus. Das Lithium geht verloren, da seine Rückgewinnung zu aufwendig ist. Bei der Aufbereitung mit dem Ziel, das Lithium wiederzugewinnen, geht man üblicherweise wie folgt vor: Zunächst wird der Akkumulator zerkleinert, und man trennt die Metalle und Kunststoffe von den nichtmagnetischen Schicht- und Elektrolytmaterialien, der sogenannten Schwarzmasse, ab.

          Dieser Rückstand enthält unter anderem Kobalt und Lithium. Die Freiberger Forscher nutzen nun den bei der Lithiumgewinnung aus Zinnwaldit bewährten Ansatz und behandeln die Schwarzmasse ebenfalls mit überkritischem Kohlendioxid und Wasser. So können sie das in der Schwarzmasse enthaltene Leichtmetall selektiv abtrennen und anschließend in Lithiumkarbonat umwandeln. Das Material lässt sich dann für die Herstellung neuer Batterien verwenden.

          Metalle bleiben im Produktions-Kreislauf

          Die Fachleute sind davon überzeugt, dass der Bedarf an Lithium in den kommenden Jahren stark ansteigen wird. Bis zum Jahr 2025 soll die Nachfrage des gehandelten Lithiums zu etwa zwei Drittel aus dem Bereich der Elektromobilität kommen. Diese Entwicklung dürfte die Preise steigen lassen. Bertau zufolge ist der Preis für Lithiumkarbonat seit November 2015 bereits um 25 Prozent gestiegen.

          Lithiumkarbonat

          Mit dem in Freiberg entwickelten Verfahren ist es möglich, eine Tonne Lithiumkarbonat zu vergleichbaren Kosten zu gewinnen - aus heimischem Erz oder aus alten Batterien. Der große Vorteil hierbei: Wertvolle Metalle wie Lithium gehen nicht durch fehlende Recyclingmöglichkeiten verloren, sondern die Bestände bleiben weiter im Kreislauf und damit verfügbar.

          Die Lithium-Nachfrage steigt

          An Lithium führt kein Weg vorbei, wenn es um wiederaufladbare Stromspeicher geht. Mit einer Dichte von gerade einmal 0,53 Gramm pro Kubikzentimeter ist es das leichteste aller Metalle und hat dazu das größte sogenannte Standardpotenzial, welches ein Maß für die Kraft ist, mit der eine Elektrode Elektronen anzieht. Deshalb erzielen Lithium-Ionen-Batterien eine hohe spezifische Ladungsdichte und hohe elektrische Spannungen. Weil das Element so leicht ist, enthält aber auch jeder Akku nur eine geringe Menge des Metalls und seiner Verbindungen: In einem Handy sind gerade einmal zwei bis drei Gramm verbaut, ein typischer Akku für ein Laptop enthält etwa das Zehnfache dieser Menge. Für ein Elektrofahrzeug werden dann aber schon zwischen acht und vierzig Kilogramm des Leichtmetalls benötigt.

          Schwarzmasse: Zerkleinerte, nichtmagnetische Schicht- und Elektrolytmaterialien, die so genannte Schwarzmasse, aus entladenen Akkumulatoren

          Das Lithium steckt vor allem im Kathodenmaterial der Energiespeicher, und zwar mit Kobalt, Mangan oder Nickel in Form von Mischoxiden. Weiterhin wird reines Lithiummetall für die Anoden von Primärzellen verwendet, die nicht wiederaufladbar sind. Und schließlich werden Lithiumsalze als Elektrolyte gebraucht, die das Innenleben eines Akkus ausfüllen und die möglichst ungehinderte Wanderung der Lithium-Ionen ermöglichen.

          Das Umweltbundesamt gibt an, dass 2014 in Deutschland 6687 Tonnen an Lithium-Ionen-Akkus in Verkehr gebracht wurden. Auf der anderen Seite gibt es hierzulande ein etabliertes Rücknahmesystem für handelsübliche Altbatterien, das eine Sammelquote von 45 Prozent erreicht. Ein effektives Lithium-Recycling wäre angesichts dieser Zahlen wünschenswert.

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