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Verlagsspezial
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Produktion & Recycling

Die Suche nach der Schwarzmasse

Rohstoffe für Lithium-Ionen-Batterien sind ebenso begehrt wie wertvoll. Die in Elektrofahrzeugen eingesetzten Akkus sollen dem Wertstoffkreislauf daher möglichst vollständig erhalten bleiben. Automobilhersteller und Forschungsinstitute arbeiten mit Hochdruck an Lösungen zum effektiven Recycling.

194.163 vollelektrisch angetriebene Fahrzeuge wurden 2020 in Deutschland neu zugelassen, gut dreimal so viele wie im Vorjahr – und das trotz Corona. Die stark steigende Nachfrage nach E-Autos treibt gleichzeitig den Bedarf an geeigneten Batterien in die Höhe. Doch die zur Produktion der Speicher benötigten Ressourcen wie Lithium, Mangan, Kobalt oder Nickel sind knapp. Also forschen immer mehr Wissenschaftler und Autohersteller intensiv an effizienten Recyclingverfahren. Das Ziel: Die Rohstoffe sollen am Ende eines Akkulebens möglichst vollständig im Wertstoffkreislauf verbleiben.

Hoher Anteil an Sekundärmaterialien

Der Autobauer BMW gilt mit seinen Modellen i3 und i8 als Pionier der Elektromobilität in Deutschland. Und das Recycling aller Komponenten inklusive der ausgedienten Batterien hatten dessen Ingenieure schon frühzeitig im Blick. „Unser Ziel ist ein möglichst hoher Anteil an Sekundärmaterialien bei der Produktion neuer Batterien,“ erklärt Steffen Aumann, der das Recycling- und Demontagezentrums (RDZ) der BMW Group in Unterschleißheim bei München leitet. „Dazu braucht es ein effizientes und konsequentes Recycling der Rohstoffe aus ausgedienten Fahrzeugbatterien.“

Die Zahlen sprechen für BMW, denn die Menge und das Gewicht recycelter Batterien steigen kontinuierlich an. Waren es 2020 noch etwa rund 800 Tonnen Recyclingmaterial, so rechnen Aumann und seine Kollegen für das Jahr 2021 bereits mit bis zu 2.000 Tonnen. Bei einem Gewicht zwischen 235 und 550 Kilo pro Batteriepack entspricht das in etwa 5.000 Fahrzeugen.

Steffen Aumann
Bei der robusten Demontage ausgedienter Lithium-Ionen-Batterien setzt das Zentrum für Demontage und Recycling für Elektromobilität auf einen Wasserstrahlschneider.

Neue Recycling-Methoden

Stückzahlen wie bei BMW erreichen die Wissenschaftler im 2020 gegründeten Zentrum für Demontage und Recycling für Elektromobilität mit Sitz im hessischen Hanau zwar nicht. In dem Projekt mit einem Budget von rund 4,5 Millionen Euro über drei Jahre geht es aber auch mehr um Klasse und nicht um Masse. „Wir entwickeln aktuell zwei unterschiedliche Prozesse zum Recycling von Batterien: die robuste und die smarte Demontage“, erklärt Dr. Jörg Zimmermann. Der Materialwissenschaftler leitet das an der Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS angesiedelte Zentrum und verantwortet die technische Entwicklung der beiden neuen Recyclingverfahren.

Bei der robusten Demontage werden ausgediente Batteriepacks in einem speziellen Behälter mit einem computergesteuerten Hochdruck-Wasserstrahl am Rand aufgetrennt. So können dank entsprechender Programmierung unterschiedliche Batteriepacks oder -module geöffnet werden. Die dabei zerstörten Komponenten des Gehäuses können zwar nicht wieder verwendet werden, aber das Material wird recycelt. Im nächsten Schritt werden die unbeschadet extrahierten, einzelnen Batteriezellen mit Hilfe eines hydromechanischen Verfahrens in ihre Bestandteile aufgespalten. „Vereinfacht gesagt, leiten wir bei der sogenannten elektrohydraulischen Zerkleinerung Stromstöße in ein Becken voll Wasser, in dem die Batterie liegt. das erzeugt Stoßwellen im Wasser, die auf die Batterien einwirken“, erklärt Zimmermann. Der Vorteil: Die einzelnen Materialien des Verbunds werden sehr präzise und selektiv voneinander getrennt. „Dabei extrahieren wir gezielt Rohstoffe wie Kupfer, Aluminium, Eisen, Kunststoffe und die Grafit, Kobalt, Nickel, Mangan und Lithium enthaltende Schwarzmasse“, sagt Zimmermann.

Die smarte Demontage setzt hingegen auf Roboter, um ausgediente Fahrzeugbatterien Stück für Stück zu zerlegen. So sollen die wertvollen Rohstoffe extrahiert und – im Gegensatz zur robusten Demontage – gleichzeitig auch alle weiteren Bauteile erhalten bleiben. „Dafür gibt es allerdings noch keine Demontagelinie, die bauen wir gerade erst auf“, führt Zimmermann aus. „Die Komplexität ist recht hoch, weil die zahlreichen Batteriepacks über ganz unterschiedlich verschraubte Gehäuse in den verschiedensten Abmaßen verfügen.“ Aus diesem Grund müssen die Forscher ihre Demontageprozesse auf möglichst alle relevanten, am Markt befindlichen Speicher hin auslegen. „Nur dann ist das Verfahren wirklich attraktiv für die gesamte Automotive-Branche“, betont Zimmermann. „Letztlich wird es wohl eine Kombination verschiedener Wege und Konzepte geben.“

Jörg Zimmermann und sein Team extrahieren wertvolle Rohstoffe wie Kupfer, Aluminium, Eisen und Kunststoffe sowie die aus Grafit, Kobalt, Nickel, Mangan und Lithium bestehende Schwarzmasse.
Jörg Zimmermann
Jörg Zimmermann

Ein neuer Markt entsteht

In Unterschleißheim arbeitet BMW beim Recycling von Autobatterien inzwischen mit spezialisierten Verwertungspartnern zusammen. „Um die Wiederverwertung von ausgedienten Speichern entsteht derzeit ein spannender Markt“, berichtet Steffen Aumann. Einer seiner Partner ist die Firma Duesenfeld. Das Unternehmen aus dem zwischen Wolfsburg und Hannover gelegenen Ort Wendeburg hat eine eigene Methode zum Recycling von Lithium-Ionen-Batterien entwickelt. Im Gegensatz zu den Hanauer Forschern setzt Duesenfeld im ersten Schritt – der Demontage der Batteriepacks – auf Handarbeit. Im Anschluss werden die entladenen einzelnen Batteriepakete in einem eigens entwickelten Schredder zerkleinert. Um Brände zu verhindern, geben die Recyclingexperten Stickstoff zu und erzeugen zugleich einen Unterdruck. Heraus kommt schließlich die sogenannte Schwarzmasse – ein Granulatgemisch aus den Rohstoffen Lithium, Grafit, Kobalt, Kupfer, Nickel und Mangan, die über klassische Verfahren wie das Sieben und mit Hilfe von Magneten voneinander getrennt werden.

Ein vielversprechendes Verfahren, schließlich können laut Aumann bei entsprechenden Voraussetzungen über 90 Prozent der Rohstoffe aus den ausgedienten Lithium-Ionen-Batterien recycelt werden. Diese Rohstoffe bleiben dem Wertstoffkreislauf erhalten und werden nach einer entsprechenden Aufbereitung in neu produzierten Batteriepacks weiterverwendet. „Wir wollen einen Pull-Effekt erzeugen, um das Recycling noch attraktiver zu machen“, betont Aumann. Wenn wir die Nachfrage nach Sekundärmaterialien für die Batterieproduktion steigern können, dann wird sich das gleichzeitig positiv auf die Wiederverwertung ausgedienter Speicher auswirken. Wir rechnen damit, dass der Kreislauf ab etwa 2030 richtig anläuft.“

Steffen Aufmann
Steffen Aufmann

Dieser Recycling-Grundsatz gilt auch für Festkörperbatterien, die derzeit als Speicher der Zukunft gehandelt werden. Sie verwenden zwischen Pluspol und Minuspol, wo sich die Ionen unter dem Einfluss des elektrischen Feldes bewegen, keinen flüssigen Elektrolyten wie konventionelle Lithium-Ionen-Batterien, sondern ein gelartiges oder festes Material. Dadurch lässt sich in einer Festkörperbatterie mehr energetisch wirksames Material verbauen, und sie kann bei gleichem Gewicht wesentlich mehr Energie speichern – was Elektrofahrzeugen zu Reichweiten von heutigen Dieselfahrzeugen verhelfen könnte. Autohersteller wie Volkswagen, Audi und BMW wollen die Technik nun bis zum Ende des Jahrzehnts für den automobilen Serieneinsatz weiterentwickeln.


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Quelle: Neudenken

Veröffentlicht: 29.12.2020 11:43 Uhr