Elektrochemisches Verfahren ermöglicht Rückgewinnung wertvoller Rohstoffe

Lithium, Kobalt und Nickel sind gefragt – und schwer zugänglich. Ein elektrochemisches Verfahren, das Forschende am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM entwickeln, soll helfen, knappe Rohstoffe beim Recycling von Batterien zurückzugewinnen. Auch Seltene Erden könnten sich dank der neuen Technologie künftig aus Elektroschrott extrahieren lassen.

Die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Akkus steigt. Sie sind unverzichtbar, wenn es um Elektroautos, Smartphones, Laptops geht. Laut einer Studie der Unternehmensberatung Deloitte ist der Wert der Lithiumimporte in Deutschland zwischen 2013 und 2023 von 514 Millionen Euro auf 21 Milliarden Euro gestiegen und hat sich damit etwa vervierzigfacht. Auch Rohstoffe wie Kobalt oder Nickel sind von hoher wirtschaftlicher Bedeutung, aber nur schwer zugänglich. Ihr Import fördert globale Abhängigkeiten.

An einer Lösung arbeiten Forschende am Fraunhofer IFAM in Bremen: Wir möchten wertvolle Rohstoffe und Seltene Erden mit einer hohen Ausbeute und Reinheit zurückgewinnen – und so den Produktkreislauf schließen und Abhängigkeiten reduzieren, erklärt Dr. Julian Schwenzel, Abteilungsleiter für Elektrische Energiespeicher am Fraunhofer IFAM.

Mehr Unabhängigkeit von kritischen Rohstoffen

Im Projekt MeGaBat – Methoden zur elektrochemischen Gewinnung aktiver Batteriematerialien entwickeln die Forschenden dafür ein elektrochemisches Verfahren, mit dem sich Materialien wie Lithium, Kobalt und Nickel beim Recyceln von Batterien isolieren lassen. Auch Seltene Erden möchten die Forschenden so künftig zurückgewinnen.

Die Idee hinter der Technologie: Das Prozesswasser, das beim Recycling von Batterien anfällt, wird in einen elektrochemischen Reaktor geleitet. Im Reaktor befinden sich zwei Elektroden, die die Forschenden am Fraunhofer IFAM mittels Siebdruck hergestellt haben: Dank ihrer speziellen Eigenschaften entziehen die Elektroden dem Abwasser gezielt Ionen und speichern diese, so Dr. Cleis Santos, Leiterin der Gruppe Elektrochemische Verfahren für Recycling und Wasseraufbereitung. So können sie etwa Lithium-Ionen binden – und wir erhalten am Ende des Prozesses den separierten Stoff in Pulverform und hoher Reinheit.

Nach Isolation des gewünschten Stoffes wird das gereinigte Wasser zurückgeführt. Werden die Elektroden entsprechend angepasst, können sie auch andere knappe Rohstoffe binden und aus dem Abwasser zurückgewinnen, zum Beispiel Kobalt, Nickel oder Kupfer.

Langfristig ist es denkbar, dass in einer großen Anlage das Abwasser durch mehrere Reaktoren geleitet wird. So könnten wir innerhalb derselben Anlage unterschiedliche kritische Rohstoffe recyceln.

Im Gegensatz zu bisherigen Aufbereitungsansätzen wie dem hydrometallurgischen Verfahren, das sehr CO₂- und energieintensiv ist, kommt die neue Technologie ohne Chemikalien wie Lauge oder Säure aus, benötigt weniger Energie und ist damit günstiger.

Zudem lässt sich neben der Reinheit der rückgewonnen Rohstoffe auch die Effizienz des gesamten Verfahrens steigern, Schätzungen zufolge um 30 bis 40 Prozent – ein entscheidender Vorteil. Gemäß EU-Vorgaben müssen Hersteller künftig häufiger den gesamten CO₂-Fußabdruck vom Rohstoff bis zum Produkt nachweisen, in neuen Produkten muss außerdem mehr recyceltes Material eingesetzt werden. Die Frage nach Effizienz und Qualität der Rückgewinnung wird also immer wichtiger.

Im Labor des Fraunhofer IFAM haben die Forschenden die neue Technologie bereits erfolgreich erprobt, aktuell arbeitet das Team an einer großen Pilotanlage. Dort könnten sich künftig auch Seltene Erden rückgewinnen lassen, etwa aus Elektroabfällen: Bislang müssen wir Seltene Erden zu 100 Prozent importieren. Diese Abhängigkeit könnten wir dank unseres Verfahrens reduzieren, so Gruppenleiterin Santos.

Auf der Hannover Messe präsentieren die Forschenden ein Modell des elektrochemischen Verfahrens. Neben dem Recycling von Batterien – und künftig von Elektroschrott für Seltene Erden – ist die Technologie auch für die Entsalzung von Meerwasser und Aufbereitung von Klinikabwässern interessant.

Das Projekt MeGaBat läuft noch bis Ende 2028, gefördert wird es vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt BMFTR.

www.ifam.fraunhofer.de