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Batterie-Recycling : Viel zu kostbar für die Müllhalde

Alte Lithium-Ionen Akkus: Es werden täglich mehr. Bild: Umicore

In Lithium-Ionen-Akkus stecken wertvolle Metalle. Die Stromspeicher müssen effizient recycelt werden, soll sich die Elektromobilität durchsetzen.

          Lithium-Ionen-Akkus gelten wegen ihrer hohen Energiedichte als das Nonplusultra unter den Energiespeichern. Sie versorgen bereits fast alle Smartphones, Laptops und viele Haushaltsgeräte mit elektrischer Energie und auch immer mehr E-Bikes und Elektroautos mit Strom. Und der Markt der Elektromobilität beginnt erst zu boomen. Damit entsteht ein neues Problem: wohin mit den vielen ausgedienten Akkus, wenn ihre Kapazität nach fünf bis zehn Jahren zur Neige geht?

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Für den Abfall sind die Energiespeicher viel zu kostbar. (Sie in den Müll zu werden, ist ohnehin verboten.) Denn sie enthalten wertvolle Metalle wie Nickel, Kupfer, Mangan und Kobalt. Die weltweiten Reserven vieler Elemente sind begrenzt, und die Minen befinden sich zum Teil in politisch höchst instabilen Regionen der Erde. Und so gewinnen das sachgemäße Recycling von Lithium-Ionen-Batterien und die Rückgewinnung der Metalle zunehmend an ökologischer und wirtschaftlicher Bedeutung. Aktuellen Schätzungen zufolge könnten bis 2020 weltweit mehr als 100.000 Tonnen an Altbatterien allein aus Elektroautos anfallen. Tendenz steigend.

          Lithium-Ionen-Akkus werden schon heute gesammelt und großtechnisch aufbereitet. Die gewonnenen Metalle werden wiederverwendet. Bislang holt man vor allem die schweren Metalle, insbesondere Nickel und Kobalt, heraus. Kobalt, dessen Nachfrage zuletzt gestiegen ist und dessen identifizierte Reserven auf sieben Millionen Tonnen (Stand 2016) geschätzt werden, steckt zusammen mit Lithium, Mangan und Nickel in Form eines Mischoxids in der Kathode.

          Kobaltpulver

          Die Materialkombination sorgt letztlich für die hohe Lebensdauer, Energie- und Leistungsdichte der Batterie. Dem Alkalimetall Lithium hat man bis vor eineinhalb Jahren vergleichsweise wenig Beachtung geschenkt. Seine Rückgewinnung war bislang nicht rentabel genug. „Das hat sich mittlerweile geändert, da auch hier die Nachfrage stetig wächst,“ sagt Matthias Buchert, Bereichsleiter für Ressourcen und Mobilität vom Öko-Institut mit Sitz in Darmstadt.

          Recycling im großtechnischen Maßstab

          Beim Recyceln einer großen Antriebsbatterie aus Elektrofahrzeugen geht man üblicherweise wie folgt vor: Zunächst wird das Batteriesystem entladen,  Gehäuse, Kabel und Batterieelektronik  werden mit Akkuschraubern separiert. Die Metalle lassen sich etwa dadurch zurückgewinnen, dass man die Batteriemodule, die das Zellmaterial enthalten, in einem Schmelzofen bei rund 1400 Grad so lange erhitzt, bis die Metalle schmelzen und eine Legierung bilden. Die Schmelze wird danach aufgefangen, und die  Metalle werden anhand ihrer unterschiedlichen Schmelzpunkte und Dichten separiert und weiter aufbereitet. „Dieses Verfahren nutzt die größte europäische Recyclingfirma für Technologie- und Edelmetalle Umicore in Belgien, um jährlich 7000 Tonnen Batteriematerial aufzubereiten“, sagt Buchert. Die Ausbeute von Kobalt und Nickel betragen jeweils mehr als 95 Prozent. Aus den Metallverbindungen wird neues Kathodenmaterial gefertigt. Das Lithium wird aus der Schlacke des Schmelzprozesses extrahiert und wiederverwertet. Zahlreiche kleinere Firmen nutzen zudem hydrometallurgische Verfahren, bei denen die Metalle effizient aus dem Elektrodenmaterial mit Hilfe etwa von Säuren als Salze herausgelöst werden.

          Zwar arbeiten die existierenden Verfahren effizient, sie verbrauchen aber noch viel Energie. Zum Teil entstehen giftige und ätzende Dämpfe, so dass viele Wissenschaftler an umweltschonenden und sparsameren Verfahren arbeiten. So versuchen Forscher der Fraunhofer-Projektgruppe für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS in Hanau und Alzenau, die Bestandteile und Materialien einer Batteriezelle statt durch Aufschmelzen durch schockartige elektrische Entladungen voneinander zu separieren. Die Komponenten brechen an den Schwachstellen auf und lassen sich dann extrahieren. Das Verfahren hat sich bei Elektronikplatinen und Solarzellen bewährt. Weil das Recyclen von Batterien vielfach höhere Ströme erfordert, ist noch ungewiss, ob sich die Technik auch wirtschaftlich rechnet. Gemeinsam mit Industriepartnern will man das Verfahren zur Anwendungsreife bringen. Im Labor haben die Fraunhofer-Forscher zumindest schon einen ganzen Recyclingkreislauf nachstellen können und aus dem wiedergewonnenen Material alter Batterien neue Akkus hergestellt. Die Effizienz der recycelten Stromspeicher liegt bei 75 Prozent

          Batterierecycling mit „grüner“ Chemie

          Andere Forschergruppen favorisieren die Energie von Ultraschallpulsen (Firma Hilscher) oder mechanische Verfahren (TU Bergakademie Freiberg), um die Materialien voneinander zu trennen und zurückzugewinnen. Ein biologisch abbaubares Lösemittel nutzen etwa Forscher von der Rice University, um Kobalt und Lithium aus der Kathode selektiv herauszulösen. Im Labormaßstab erreichen Mai Tran und ihre Kollegen für Kobalt eine Ausbeute von 95 Prozent, schreiben die Forscher in der Zeitschrift  „Nature Energy“. 

          Das Lösemittel ist eine Kombination aus den  beiden Alkoholen Ethylenglykol und Cholinchlorid im Mischungsverhältnis 1:2. Letzteres wird als Nahrungsergänzungsmittel und Futtermittelzusatz verwendet.  Beide Komponenten bilden eine stark eutektische Flüssigkeit. Das Lösemittel bleibt  noch bei einer Temperatur flüssig, bei der längst einer von  beiden Alkohole in den festen Zustand übergegangen wäre. Um die Metalle aus dem Kathodenmaterial herauszulösen, tauchen die Forscher die komplette Kathode in die eutektische  Lösung und erhitzen das Ganze. Zunächst trennen sich die Aluminiumfolie und Kohlenstoff von der Kathode.  Nach weiterem Erhitzen verfärbt sich die anfänglich klare Lösung immer stärker grün. Ein Zeichen, dass sich immer mehr Kobalt-Ionen bilden. Durch Zugabe von Natriumkarbonat, lässt sich das Kobalt als Karbonat herausfiltern. Die höchste  Ausbeute an Kobalt  erzielten Mai Tran und ihre Kollegen bei einer Temperatur von 105 Grad und einer Recyclings-Dauer von 72 Stunden. Das Verfahren funktioniert allerdings bislang nur im Labor und mit Kathodenmaterialien in Grammmengen.

          „Viele Ansätze sind noch in einem sehr frühen Forschungsstadium“, sagt Buchert. Ob sie sich für das großtechnische Recycling von Batterien eignen, bleibt abzuwarten. Für Buchert kommt es jetzt vor allem darauf an, eine funktionierende Recyclingwirtschaft aufzubauen, wie sie schon lange für Bleibatterien existiert. Wenn der große Rücklauf an Altbatterien kommt, benötigt man Recyclings-Anlagen die 50.000 und mehr Tonnen an Material wiederaufbereiten können.

          Vor allem müsste die Sammelquote für kleinere Akkus verbessert werden, sagt Buchert. Zu viele alte Lithium-Batterien in Kleingeräten würden noch immer auf dem Müll landen. Dann könnten tatsächlich bereits bis zum Jahr 2030 alle neuen Batterien zu zehn Prozent aus recycelten Metallen bestehen, wie es viele Szenarien bereits prognostizieren.

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