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Wiederverwertung

So werden Lithium-Ionen-Akkus recycelt

Von Johannes Winterhagen
02.11.2019
, 19:35
In der Masse stecken die wertvollen Metalle, sie werden im nächsten Schritt getrennt. Bild: Hersteller
Die Zellen der Lithium-Ionen-Akkus müssen vor der Wiederverwertung ausgebaut werden. Es gibt zwei Verfahren für das Recycling.
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Das Leben vom Ende her zu denken, fällt nicht nur den meisten Menschen schwer, sondern auch Ingenieuren. So entstehen Wunderapparate wie der Lithium-Ionen-Akku, dessen Grundlagenerforschung in den achtziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts gerade erst mit dem Nobelpreis gekrönt wurde. Zweifellos handelt es sich um eine segensreiche Erfindung, ohne die ein Smartphone kaum denkbar wäre. Auch ein Elektroauto mit alltagstauglicher Reichweite ist derzeit nur mit Lithium-Ionen-Akkus denkbar. Doch auch wenn der Akku eines Elektroautos nach dem Ausbau ein zweites Leben als stationärer Energiespeicher oder mobile Schnellladestation führt – irgendwann kommt der Tag, da er den Weg alles Irdischen geht.

Spätestens dann lohnt es, über die Wiederverwertung der eingesetzten Materialien nachzudenken. Denn in einem aktuellen Lithium-Ionen-Akku der 50-Kilowattstunden-Klasse, gut für rund 250 bis 300 Kilometer Reichweite, stecken etwa zehn Kilo Mangan, elf Kilo Kobalt, 32 Kilo Nickel und etwas mehr als sechs Kilo Lithium. In künftigen Akku-Generationen wird es zwar möglich sein, den Gehalt des vergleichsweise seltenen Kobalts zu halbieren, dafür steigt der Nickelanteil aber sogar etwas an. Immer an Bord ist zudem mehr als ein Zentner Graphit, also Kohlenstoff in kristalliner Struktur, sowie ein flüssiger Elektrolyt.

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Für das Recycling werden derzeit zwei grundsätzlich unterschiedliche Verfahren diskutiert: das Einschmelzen in einer Art Hochofen sowie eine Kombination aus mechanischer Zerkleinerung und chemischem Herauslösen der Bestandteile. Gemeinsam ist beiden Verfahren nur, dass sie mit ein wenig Handarbeit beginnen. Denn die eigentlichen Energiespeicher, die Batteriezellen, sind in Modulen aus mehreren Dutzend Zellen zusammengefasst, die wiederum in einem gemeinsamen Gehäuse sitzen, das auch Kabel, Kühlelemente und Elektronik umfasst. Die Module müssen ausgebaut werden, was übrig bleibt – überwiegend große Kunststoff –, und Metallteile sowie Kupferleitungen, wandert ins gewöhnliche Wertstoffrecycling.

95 Prozent des Kobalts sind zurückzuholen

Mit dem Einschmelzen fortzufahren – Experten nennen es einen „pulvermetallurgischen Prozess“ – liegt zunächst nahe: Den größten Wert stellen die metallischen Bestandteile Kobalt, Kupfer und Nickel dar, deren Rückgewinnung relativ einfach zu realisieren ist, da sich aufgrund unterschiedlicher Schmelzpunkte und Dichten gute zu trennende, flüssige Metallphasen bilden. Auf diesem Weg sind mehr als 95 Prozent des in einem Akku enthaltenen Kobalts zurückzuholen. Zurück bleibt eine Schlacke, die überwiegend aus Lithium, aber auch aus Rückständen von Aluminium und Eisen besteht. Das Lithium kann danach durch hydrometallurgisches Verfahren aus der Schlacke zurückgewonnen werden. Das Einschmelzen erprobt der belgische Konzern Umicore bereits seit 2012 in Antwerpen mit einer Pilotanlage, die bis zu 7000 Tonnen Altakkus durchschleusen kann.

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Kritiker des Einschmelzens verweisen vor allem auf den hohen Energiebedarf. Demgegenüber argumentiert Umicore-Experte Christian Hagelüken: „Recycling wird sich nur dann durchsetzen, wenn es sich wirtschaftlich betreiben lässt.“ Spätere Anlagen sollen daher 100.000 Tonnen im Jahr und mehr verarbeiten. Dann müssten diese aber so flexibel sein, dass sie auch mit anderen Akku-Technologien zurechtkommen, mit Festkörperbatterien etwa, oder auch mit einem anderen Metallmix. Zudem werde der Energiebedarf systematisch überschätzt, da der Lithium-Ionen-Akku seinen Brennstoff in Form des Graphits zu guten Teilen mitbringt. Zudem ist die tatsächlich Ofentemperatur mit etwas mehr als 1000 Grad Celsius deutlich geringer als der Schmelzpunkt von Kobalt (1495 Grad). Ein heikler Punkt des Verfahrens: Bei der Verbrennung des Elektrolyten entstehen Fluorgase, für die eine spezielle Abgaswäsche erforderlich ist.

Anlagen sollen regional verteilt stehen

Nahezu alles wiederverwerten, also auch den Elektrolyten und den Anoden-Werkstoff Graphit, will hingegen Christian Hanisch, Gründer des 30-Mann-Unternehmens Duesenfeld. Auf dem Gelände einer ehemaligen Stahlbaufirma in der Nähe von Braunschweig hat er seine Pilotfabrik eingerichtet. Nach der manuellen Vorarbeit werden die Akkumodule zunächst in einem containergroßen Schredder zerkleinert. Bevor das Walzwerk zupackt, wird der Maschinenraum mit Stickstoff geflutet, der nicht nur das Entflammen verhindert, sondern auch für den Abtransport des verdampfenden Elektrolyten genutzt wird. Der Elektrolyt kondensiert an der Seite der Anlage bei Umgebungstemperatur und soll später beispielsweise für die Produktion von Lösemitteln eingesetzt werden. Die Containergröße ist dabei mit Bedacht gewählt. Eines Tages sollen solche Anlagen, die jeweils 500 Kilo in der Stunde verarbeiten können, regional verteilt stehen. Die großen Altakkus müssten dann nicht mehr über längere Strecken transportiert werden.

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Doch die wirklich wertvollen Stoffe eines Lithium-Ionen-Akkus stecken nicht im Elektrolyten, sondern in dem Mahlgut, das aus dem ersten Container stammt. Im nächsten Container wird es in einige grundlegende Fraktionen separiert. Ähnlich wie in einer Getreidemühle gilt es zunächst, die Spreu vom Weizen, sprich die leichten von den schwereren Bestandteilen zu trennen. Die schweren Partikel werden noch einmal nach magnetischen und elektrischen Eigenschaften sortiert, so dass anschließend Aluminium und Kupfer in reiner Form vorliegen. Übrig bleiben die leichten Bestandteile in Form eines schwarzen Pulvers.

Hier ist vorerst Schluss, denn das Pulver muss in einer hydrometallurgischen Anlage aufbereitet werden, einem Prozess, in dem die Stofftrennung mit Hilfe einer Säure erfolgt. Derzeit bemüht Duesenfeld dafür einen externen Dienstleister, doch auf dem Papier existiert bereits ein eigenes Anlagenkonzept. Schon im kommenden Jahr soll das Ziel erreicht werden, 96 Prozent aller Akkumaterialien in einer Reinheit zurückzugewinnen, die eine abermalige Verwendung in der Batterieproduktion ermöglicht. „Wenn wir eine Tonne Batterien recyceln, sparen wir viereinhalb Tonnen Kohlendioxid ein“, sagt Hanisch zur Ökobilanz seines Verfahrens.

Ebenfalls im kommenden Jahr will Volkswagen in Salzgitter – wo auch die erste konzerneigene Batteriefabrik entsteht – eine Pilotanlage für das Batterierecycling in Betrieb nehmen. Dabei soll es sich ebenfalls um eine Kombination aus Schreddern und anschließendem chemischen Herauslösen der Wertstoffe handeln. Thomas Schmall, der die konzernweite Komponentenproduktion bei VW verantwortet, bekräftigte auf Nachfrage: „Wir schmelzen die Akkus nicht ein.“ Es werde zunächst eine Recylingquote von 90 Prozent angestrebt. Ein wenig Zeit zur Optimierung der Verfahren bleibt noch: Bevor Akkus aus Elektroautos in großen Mengen am Ende ihres Lebens stehen, müssen diese erst einmal geboren werden.

Quelle: F.A.Z.
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