Batterierecycling
15.05.2019

„Rückgewinnung kritischer Rohstoffe lohnt auf jeden Fall“

Foto: Fraunhofer IWKS
Jörg Zimmermann ist Leiter der Abteilung Energiematerialien an der Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS.

Batterierecycling gilt als mitentscheidend für die Zukunft der Elektromobilität. Es braucht einen deutlichen Sprung nach vorne, sagt Fraunhofer-Forscher Jörg Zimmermann im Interview.

Herr Zimmermann, sie forschen am Fraunhofer IWKS an Recyclingverfahren. Welche strategische Bedeutung hat Batterierecycling für die deutsche Automobilindustrie?
Batterien für Elektrofahrzeuge enthaltenen wertvolle Rohstoffe wie Lithium, Kobalt, Nickel und Mangan. Diese werden fast ausschließlich aus Ländern außerhalb Europas importiert. Um also die Versorgung der Automobilindustrie in Deutschland und Europa mit diesen kritischen Materialien zu sichern, braucht es Lösungen, wie diese effizient im Kreislauf geführt werden können. So verringert sich nicht nur die Importabhängigkeit der deutschen Industrie, auch die Entsorgungskosten, die auch ohne Recycling anfallen, verringern sich.

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Welche Recyclingverfahren werden derzeit angewendet?
Es gibt zwei verschiedene grundlegende Ansätze, um eine Lithium-Ionen-Batterie zu recyceln. Einmal den pyrometallurgischen Weg, hier wird das Modul durch Hitze geöffnet und die Zelle komplett aufgeschmolzen. Auf der anderen Seite geht man vermehrt in Richtung mechanischer Prozesse, wobei die Batterien zerkleinert werden. Abschließend sind noch nasschemische Verfahren notwendig, um zum Beispiel Kobalt auf Elementebene zurückzugewinnen.

Batterierecycling gilt als energieintensiv und mitunter ineffizient. Woran hapert es und wo liegen die Verbesserungspotenziale?
Kobalt und Nickel können mit den aktuell angewandten Verfahren jeweils zu über 90 Prozent aus einer gebrauchten Batterie recycelt werden. Für Lithium kann man realistisch 70 Prozent des Ursprungsmaterials zurückgewinnen, dies jedoch noch nicht großtechnisch. Andererseits gehen bestimmte Stoffe wie Graphit oder auch die Kunststofffraktion für das Materialrecycling verloren. Eine Herausforderung auch im Hinblick auf Bestrebungen, den Kobalt-Gehalt in Batterien weiter zu senken, ist der hohe Energiebedarf. Daher ist eine weitere Optimierung des Recyclingprozesses notwendig und sinnvoll – denn der Abfallstrom Batterie wird so schnell nicht abreißen. Auch bei der Automatisierung der Demontage großer Batterien muss sich noch einiges tun, um die Effizienz zu erhöhen. Unter ökologischen und strategischen Gesichtspunkten lohnt sich das Batterierecycling durch die Rückgewinnung der zum Teil kritischen Rohstoffe auf jeden Fall. Allerdings laufen die Recyclingprozesse derzeit gerade einmal kostendeckend.

Sie befassen sich am Fraunhofer IWKS mit der elektrohydraulischen Zerkleinerung durch Schockwellen. Was ist das Besondere an dem Verfahren?
Der Reaktor der elektrohydraulischen Zerkleinerungsanlage wird mit Wasser und Batteriezellen befüllt. Durch eine Entladung zwischen eingeführten Elektroden und dem Reaktorboden wird eine Schockwelle hervorgerufen, die auf die Batterien einwirkt. Mit anschließenden einfachen Trennverfahren (Sieben, Zentrifugation, Magnet- und Wirbelstromabscheidung) lassen sich Folien, Separatoren, Gehäuseteile und Aktivmaterial zurückgewinnen. Der Vorteil: Schwachstellen in Materialverbünden werden gezielt angegriffen und so eine anschließende selektive Sortierung ermöglicht. Dabei können ohne Hochtemperaturverfahren hochwertige Funktionsmaterialien zur Wiederverwendung in Batterien zurückgewonnen werden. Dies gilt vor allem für das Elektrodenaktivmaterial wie Nickel-Kobalt-Mangan-Oxid, das in traditionellen Verfahren als einzelne Metallverbindung gewonnen wird und für eine Wiederverwertung chemisch aufbereitet werden muss. Dies entfällt bei der EHZ-Methode.

An welchen Verfahren forscht das Fraunhofer IWKS noch? Wo sehen Sie Potenziale für die Zukunft?
Neben anderen Verfahren der mechanischen Aufbereitung forschen wir vor allem in Richtung automatisierte Prozesse zur Demontage beziehungsweise gezielten Zerkleinerung von Batteriesystemen. Potenziale für die Zukunft bestehen dabei von zweierlei Seiten: Zum einen von Seiten der Hersteller, wo sich im Sinne eines „Design for Recycling“ eine Standardisierung von Batteriepacks ergeben könnte, und andererseits durch die Verbesserung der Recyclingverfahren selbst.

Gebrauchte Batterien müssen ja nicht unbedingt sofort recycelt, sondern können auch in anderen Bereichen weiterverwendet werden. Welche Möglichkeiten für das „Second Life“ sehen Sie?
Sicherlich ist ein „Second-use“-Ansatz richtig und wichtig, um Batterien in einem möglichst langen Lebenszyklus zu halten. Eine praktikable Zweitverwertung ist beispielsweise die Bündelung und Nutzung als stationäre Energiespeicher. Solche Anwendungen haben wir ebenfalls auf dem Schirm und beschäftigen uns mit den dafür notwendigen Testverfahren für gebrauchte Batteriezellen.

Welche politischen Weichenstellungen braucht es beim Thema Batterierecycling? Reichen die derzeitigen rechtlichen Grundlagen wie die EU-Batterierichtlinie aus?
Die derzeit geforderten 50 Prozent der Recyclingrate an Batterien wird mit Sicherheit noch weiter erhöht werden. Hier könnte man mit Rückgewinnungsraten für einzelne Wertstoffe wie Kobalt sicherlich gezielt ein Recycling steuern. Aus unserer Sicht fehlen jedoch weitere Anreize für Forschung und Entwicklung im Bereich Batterierecycling, die ein vollständiges Kreislaufmodell anstreben. Letztlich gilt dies nicht nur für Batterien, sondern jeden Abfallstrom, um eine möglichst vollwertige Wiederverwertung anzustreben. Sicherlich muss diese effizient sein, aber von selbst wird sich dies im Markt nur schwer etablieren.

Ihre Prognose: Wann werden Recyclingverfahren für Lithium-Ionen-Akkus großtechnisch und großflächig eingesetzt?
Bestehende Verfahren sind mit Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit stark abhängig vom Kobaltpreis – sinkt dieser, sinkt auch die Rentabilität. Auch deshalb geht es derzeit nur langsam beim industriellen Recycling von Batterien voran. Dies ist allerdings derzeit auch Thema in einer Vielzahl von Forschungsprojekten. Zusätzlich wird das Recycling von Hochleistungsbatterien in Zukunft sicher wirtschaftlich interessanter werden, wenn der Abfallstrom größer und damit die Auslastung der Anlagen höher wird. Insofern bin ich zuversichtlich, dass wir in den nächsten fünf bis zehn Jahren einen deutlichen Sprung nach vorne machen werden, was neue Technologien und Verfahren angeht. Und das müssen wir auch, um beim Recycling mit den Stoffströmen mitzuhalten.

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Interview: Carsten Kloth
Keywords:
Batteriespeicher | Recycling | Elektromobiltität
Ressorts:
Technology

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