Wie lassen sich Altbatterien energieeffizient recyceln?

Oberflächen 08. 05. 2023
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Von Christian Mock, Inga Landwehr und Stefan Kuntz

Der seit 2021 novellierte Vorschlag zur EU-Verordnung des europäischen Parlaments über (Alt-)Batterien [1] enthält neben Rücknahmequoten auch Bestimmungen für die Rückführung und Reintegration von recyceltem Material in neue Batteriezellen. Die Rückführung der Materialien öffnet hierbei die Chance, die Kritikalität bei der Rohstoffversorgung und damit die Abhängigkeit von Rohstoffimporten zu reduzieren. Im ForschungsprojektReUpDirekt arbeiten Forschende des Fraunhofer IPA, der Hochschule Esslingen und der Universität Stuttgart gemeinsam mit den assoziierten Industriepartnern Varta Microbattery GmbH, e-mobil BW GmbH und Erlos GmbH an der Umsetzung energieeffizienter und nachhaltiger Prozesse zur Aufwertung von NMC-Kathodenmaterial.

Mit dem Anstieg der Elektromobilität und der damit verbundenen Zellproduktion werden auch die Rahmenbedingungen für den Lebenszyklus der Lithiumionenzellen stetig weiter definiert. Je nach Zustand der Batteriezellen, die dem Recyclingprozess zugeführt werden, ändern sich auch die Herausforderungen an die Recyclingtechnologien. Das Recycling von Lithiumionenbatterien (LIB) kann grundlegend in drei verschiedene Technologiepfade untergliedert werden [2], die allein oder kombiniert angewendet werden können (Abb. 1).

Abb. 1: Vereinfachtes Schema zum allgemeinen Stand der Technik des Recyclings von Lithium­ionenbatterien (Bild: Fraunhofer IPA)

 

Hierzu zählt neben den indirekten Technologien, der Hydrometallurgie und der
Pyrometallurgie, das sogenannte direkte Recycling [3, 4]:

  • Die hydrometallurgische Route umfasst die Auslaugung von wertvollen ­Elementen aus einer festen Form in Ionenform in einer Lösung aus anorganischen oder organischen Säuren [5] und anschließend die Rückgewinnung dieser Metalle durch ­mehrstufige selektive Anreicherungs-, Lösemittelex­traktions- und Fällungsprozesse in metallisches Material oder als Salze für die Herstellung von neuen Elektrodenmaterialien (Precursor) [2, 6]. Vor der hydrometallurgischen Behandlung werden die End-of-Life-LIB in der Regel mechanisch zerkleinert, um die hydrometallurgische Prozesskette zu erleichtern.
  • Die pyrometallurgische Route nutzt Schmelzprozesse, bei denen Metalle wie Kobalt, Kupfer und Nickel in der Schmelzphase konzentriert werden, während andere Bestandteile wie Lithium, Aluminium, Silizium, Calcium und Eisen in der Schlackenphase verbleiben [2, 7]. Um reine Metalle oder Metallsalze zu erhalten, müssen die Schlacken anschließend hydrometallurgisch weiter aufbereitet werden.
  • Beim direkten Recycling (Direkt-Routing) werden selektierte Elektrodenmaterialien zurückgewonnen, ohne diese in ihre elementaren Bestandteile aufzuspalten [8, 9]. Ziel ist es hierbei, dieses Material mit möglichst geringem Aufwand in der Frischzellenfertigung und somit dem Kreislauf erneut zuzuführen.

Ziel des Forschungsvorhabens ReUpDirekt ist die Umsetzung von energieeffizienten und nachhaltigen Prozessen zur Aufwertung von NMC-Kathodenmaterial aus einem CO2-redu­zierten Recyclingverfahren, ohne den Umweg über verschiedene Precursorvorstufen zu nehmen. Durch die Aufwertung soll entsprechend der ganzheitlichen Betrachtung des Ökosystems Batterie eine anteilige Rückführung von sogenanntem Sekundärrohstoff in die Fertigung neuer Batteriezellen ermöglicht werden ohne Einschränkungen hinsichtlich der erzielbaren Zellkapazität und Lebensdauer. Angestrebt wird entsprechend dem Entwurf der EU über (Alt-)Batterien [1] eine Rückführung des Kathoden­materials zu mehr als 90 Prozent.

Das in dem Vorhaben eingesetzte Rezyklat stammt aus einem direkten Recyclingprozess (Erlos-Prozess), bei dem das Kathodenaktivmaterial CO2-arm vom Stromsammler separiert wird [10]. Durch die Einbindung der Landesagentur e-mobil BW sollen die Ergebnisse der Industrie in Baden-Württem­berg zugänglich gemacht werden. Zudem dient die Einbindung eines assoziierten Partners aus dem Segment des Batterierecyclings (Erlos GmbH) einer fachlichen Beratung hinsichtlich zu berücksichtigender Anforderungen aus industrieller Sicht für die Praxistauglichkeit. Als Batteriehersteller steht Varta Microbattery dem Konsortium bezüglich späterer anwendungsorientierter Zellformate und -größen als assoziierter Partner beratend zur Seite.

Literatur

[1] Vorschlag für eine Verordnung des Europäischen Parlaments und des Rates über Batterien und Altbatterien, zur Aufhebung der Richtlinie 2006/66/EG und zur Änderung der Verordnung (EU) 2019/1020: COM/2020/798 final, 2020; online, verfügbar unter: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/DE/TXT/PDF/?uri=CELEX:52020PC0798&from=DE

[2] Y. Wang et al.: Recent progress on the recycling technology of Li-ion batteries; Journal of Energy Chemistry, Jg. 55, Nr. 2019, S. 391–419, 2021, doi: 10.1016/j.jechem.2020.05.008

[3] M. Chen et al.: Recycling End-of-Life Electric Vehicle Lithium-Ion Batteries; Joule, Jg. 3, Nr. 11, S. 2622–2646, 2019, doi: 10.1016/j.joule.2019.09.014

[4] D. Steward, A. Mayyas, M. Mann: Economics and Challenges of Li-Ion Battery Recycling from End-of-Life Vehicles; Procedia Manufacturing, Jg. 33, S. 272–279, 2019, doi: 10.1016/j.promfg.2019.04.033

[5] W. Gao et al.: Lithium Carbonate Recovery from Cathode Scrap of Spent Lithium-Ion Battery: A Closed-Loop Process; Environmental science & technology, Jg. 51, Nr. 3, S. 1662–1669, 2017, doi: 10.1021/acs.est.6b03320

[6] T. Sieber, J. Ducke, A. Rietig, T. Langner, J. Acker: Recovery of Li(Ni0.33Mn0.33Co0.33)O2 from Lithium-Ion Battery Cathodes: Aspects of Degradation; Nanomaterials (Basel, CH), Jg. 9, Nr. 2, 2019, doi: 10.3390/nano9020246

[7] R. Zhan, T. Payne, T. Leftwich, K. Perrine, L. Pan: De-agglomeration of cathode composites for ­direct recycling of Li-ion batteries; Waste ­management (New York, N.Y.), Jg. 105, S. 39–48, 2020, doi: 10.1016/j.wasman.2020.01.035

[8] A. M. Bernardes, D. C. R. Espinosa, J. A. S. Tenório: Recycling of batteries: a review of current processes and technologies; Journal of Power Sources, Jg. 130, 1-2, S. 291–298, 2004, doi: 10.1016/j.­jpowsour.2003.12.026

[9] F. Larouche et al.: Progress and Status of Hydrometallurgical and Direct Recycling of Li-Ion Batteries and Beyond; Materials (Basel, CH)

[10] Kurz et al.: Global Warming Potential of a New Waterjet-Based Recycling Process for Cathode Materials of Lithium-Ion Batteries; Batteries 7 (2), S. 29, 2021, doi: 10.3390/batteries7020029

 

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