Je nach angewandtem Recyclingverfahren müssen die Produkte dieser Prozesse unter Umständen weiter aufbereitet oder verarbeitet werden, um sie wieder in die Herstellung neuer Batterien einbinden zu können. In ihrem aktuellen Bericht „Li-ion Battery Recycling Market 2023–2043“ erörtert und analysiert IDTechEx drei wichtige Recyclingtechnologien, die von kommerziellen Anbietern eingesetzt werden: mechanisches, hydrometallurgisches und pyrometallurgisches Recycling.

Mechanisches Recycling
: Die mechanische Aufbereitung ist die einfachste und weltweit von vielen Akteuren angewandte Methode und oft der erste Schritt beim Recycling von Lithium-Ionen-Batterien. Sie beginnt typischerweise mit der Demontage, die aufgrund der unterschiedlichen Bauweise von Elektrofahrzeugbatterien manuell erfolgt und Fachkräfte erfordert. Zu den nachfolgenden Schritten gehören Zerkleinern, Mahlen und Brechen. Dabei werden die wertvollen Materialien aufgebrochen, von den Folien und dem Gehäuse getrennt. Dieser Vorgang findet unter Schutzgasatmosphäre statt. Durch Sieben werden größere Fragmente von Stromabnehmern, Gehäusen und Separatoren von den Elektrodenmaterialien, die aus sehr feinen Pulvern bestehen, getrennt. So entsteht eine schwarze Masse, die hydrometallurgisch oder pyrometallurgisch weiterverarbeitet werden muss, um batteriegeeignete Metallsalze zu gewinnen. Derzeit verfügen die meisten Betreiber in Europa und Nordamerika nur über Kapazitäten für das mechanische Recycling. Daher fehlt den meisten dieser Recyclingunternehmen derzeit die Kapazität, batteriefertige Materialien für die Herstellung neuer Batterien zu produzieren. Dieses schwarze Metall wird üblicherweise zu Recyclingunternehmen im asiatisch-pazifischen Raum transportiert, die über diese Kapazitäten verfügen.

Pyrometallurgisches Recycling:
Die Pyrometallurgie bezeichnet die Gewinnung von Materialien aus Batterien mittels Hitze, typischerweise mit hoher Effizienz in einem Elektrolichtbogenofen oder Hochofen. Zu den Vorteilen dieses Verfahrens zählen der geringe Vorbehandlungsaufwand und die Unabhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung der Batterien. Dadurch können verschiedene metallhaltige Abfallströme, wie z. B. NiMH-, Ni-Cd- und Lithium-Ionen-Batterien, verarbeitet werden. Das Verfahren ist jedoch kapital- und energieintensiv und erfordert eine aufwendige Gasreinigung. Bei der Pyrometallurgie entstehen eine Mischmetalllegierung und ein Schlackenstrom, der Lithium, Mangan und Aluminium enthält. Daher ist eine weitere hydrometallurgische Aufbereitung notwendig, um alle wertvollen Metalle in Batteriequalität zurückzugewinnen.

Beispiel eines pyrometallurgischen Verfahrens zum Recycling gebrauchter Batterien. Quelle: IDTechEx

Hydrometallurgisches Recycling:
Hydrometallurgische Verfahren ermöglichen das direkte Recycling von Schwarzmasse oder die Raffination von pyrometallurgisch hergestellten Legierungen zu Metallsalzen in Batteriequalität. Diese Salze können zur Herstellung neuer Kathodenvorprodukte wiederverwendet werden und sind daher wertvoller als die aus dem mechanischen Recycling stammende Schwarzmasse. Beim hydrometallurgischen Recycling können durch Laugung, Lösungsmittelextraktion oder Fällung Metalle wie Nickel und Kobalt selektiv aus der mechanisch recycelten Schwarzmasse in Form von Batteriesalzen gewonnen werden. Die Hauptvorteile des hydrometallurgischen Recyclings liegen in der höheren Ausbeute an wertvollen Metallen und dem geringeren Energiebedarf im Vergleich zum pyrometallurgischen Recycling. Zu den Nachteilen zählen jedoch die hohen Reagenzienkosten und der hohe Wasserverbrauch. In Interviews mit IDTechEx gaben einige Recyclingunternehmen an, dass sie das Wasser mehrmals im Recyclingprozess zirkulieren lassen, um ihre Effizienz zu maximieren.

Derzeit befindet sich der Großteil der hydrometallurgischen Recyclingkapazitäten im asiatisch-pazifischen Raum, wo sich wichtige Akteure wie Sungeel HiTech, Exigo Recycling und ACE Green Recycling befinden. Unternehmen in Europa und den USA erkennen jedoch die Vorteile der hydrometallurgischen Verarbeitung und bauen ihre Kapazitäten aus. Fortum hat kürzlich den kommerziellen Betrieb seiner hydrometallurgischen Anlage im finnischen Harjavalta aufgenommen. Dies ist die erste hydrometallurgische Recyclinganlage im kommerziellen Maßstab in Europa. In den Vereinigten Staaten plant Li-Cycle ebenfalls den Bau einer eigenen hydrometallurgischen Anlage im kommerziellen Maßstab.

Andere Verfahren:
Obwohl dies im Allgemeinen die drei am weitesten entwickelten Verfahren für das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien sind, werden weitere Ansätze erforscht. Das direkte Recycling ist ein Verfahren, das eine mechanische Vorbehandlung und die Trennung der Komponenten umfasst, gefolgt von der Reaktivierung des Batteriematerials zur Wiederherstellung der während der Ladezyklen verlorenen Kapazität, ohne die Kristallstruktur des Kathodenmaterials zu zerstören. Diese Technologie befindet sich jedoch noch in der Entwicklungsphase und wird von Forschungseinrichtungen im Labormaßstab untersucht.

Schlussfolgerungen

Batteriehersteller sind bestrebt, Recyclingmaterialien zu beschaffen, um Preisschwankungen bei Metallen abzufedern und die Materialversorgung zu stabilisieren. Da die Menge an ausgedienten Lithium-Ionen-Batterien stetig wächst, werden Recyclingunternehmen ihre Kapazitäten durch den Bau neuer Anlagen erweitern, um die Nachfrage zu decken. Durch hydrometallurgische Verfahren können Recyclingunternehmen Metallsalze in Batteriequalität gewinnen, die anschließend für die Herstellung neuer Batterien verwendet werden können. Die Kapazitäten für hydrometallurgisches und mechanisches Recycling werden in Nordamerika, Europa und im asiatisch-pazifischen Raum ausgebaut. Recyclingunternehmen in Europa und Nordamerika werden damit beginnen, hydrometallurgische Recyclinganlagen im industriellen Maßstab zu errichten, um höherwertige Metallsalze für Batterien anstelle des bisher üblichen Rohmetalls herzustellen. Dies bietet Batterieherstellern in diesen Regionen die Möglichkeit, ihre Materialversorgung für die Herstellung neuer Batterien zu stärken und gleichzeitig die Risiken der Rohstoffversorgung und schwankender Kosten zu reduzieren.

Neue EU-Batterieverordnung für Cell-to-Pack und Cell-to-Body:
Nachhaltigkeit, Design und Recycling von Batterien für Elektrofahrzeuge (EV) werden durch die Verabschiedung neuer EU-Verordnungen für den Batteriemarkt grundlegend verändert. Im Juni 2023 verabschiedete das Parlament neue Rechtsvorschriften, die Batterieanforderungen festlegen, darunter einen „Batteriepass“ und die Rückgewinnung bestimmter Materialien. In den letzten Jahren hat sich der EV-Markt hin zu einer stärkeren Systemintegration entwickelt, mit Technologien wie Cell-to-Pack und Cell-to-Body, die die Demontage und/oder den Ausbau aus Fahrzeugen erschweren können. Wird sich dies mit der Verabschiedung dieser neuen Verordnungen ändern?

Die neuen EU-Vorschriften decken den gesamten Lebenszyklus von Batterien ab, von der Rohstoffgewinnung bis zum Recycling. Um die Umweltauswirkungen der Herstellung zu reduzieren, ist ein höherer Recyclinganteil in Batterien vorgeschrieben. Zudem wurden Ziele für die Rückgewinnung von Lithium (50 % bis 2027, 80 % bis 2031) sowie von Kobalt, Kupfer, Blei und Nickel (90 % bis 2027, 95 % bis 2031) aus Altbatterien festgelegt. Eine Studie von IDTechEx zum Markt für das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien prognostiziert, dass bis 2043 23,8 Millionen Tonnen Lithium-Ionen-Batterien recycelt werden. Die vereinfachte Demontage von Batterien aus Fahrzeugen und deren Zerlegung in Einzelteile könnte Recyclingunternehmen langfristig Vorteile bringen.

Bei der Zell-zu-Zell-Batterietechnik wird der Akku nicht mehr in mehrere Module unterteilt. Stattdessen werden alle Zellen direkt übereinander gestapelt, um unnötiges Material und Gewicht zu reduzieren, die Energiedichte zu erhöhen, die Fertigung zu vereinfachen und die Kosten zu senken. Laut einer Studie von IDTechEx weist die durchschnittliche Zell-zu-Zell-Batterie eine um 20 % höhere gravimetrische Zell-zu-Zell-Ratio auf (den Anteil der Zellen am Gesamtgewicht des Akkupacks). Die Zell-zu-Karosserie- oder Zell-zu-Chassis-Technologie geht noch einen Schritt weiter und integriert die Batterie in die Fahrzeugkarosserie. Dies führt zu einer stärkeren Integration und einer Reduzierung des Gesamtgewichts. Der Markt entwickelt sich in diese Richtung: Hersteller wie BYD verbauen bereits Zell-zu-Pack-Systeme in großem Umfang, und Zell-zu-Chassis-Designs werden immer häufiger eingesetzt, wie beispielsweise Teslas 4680-Akkupack.

Zellenbasierte Batterien reduzieren das Verpackungsmaterial um die Zellen herum erheblich. Quelle: IDTechEx

Man könnte zunächst annehmen, dass ein Zell-zu-Zell-Design aufgrund der geringeren Anzahl an Bauteilen im Akkupack die Demontage auf Zellebene erleichtert. Allerdings verwenden Zell-zu-Zell-Designs typischerweise deutlich mehr Strukturklebstoffe oder Verkapselungsschäume, was die Demontage eines Akkupacks oft sehr schwierig macht. Im Fehlerfall besteht die Standardvorgehensweise darin, den gesamten Akkupack auszutauschen. Wenn sich die verwendeten Klebstoffe oder Verkapselungsmaterialien mit einem Lösungsmittel auflösen lassen, ohne die Zellen wesentlich zu beschädigen, könnte dies das Recycling erheblich vereinfachen und für Materiallieferanten ein wichtiges Differenzierungsmerkmal darstellen. Bei Zell-zu-Chassis-Batterien gestaltet sich die Entnahme des Akkupacks aus dem Fahrzeug deutlich aufwendiger, was die Arbeit der Recyclingunternehmen erheblich erschwert.

Für Batterieentwickler enthalten die EU-Vorschriften keine Angaben zur internen Struktur der Batterie (Modulstruktur, Zellseparatoren, Klebstoffe usw.). Ein Recyclingverfahren besteht darin, die Batterie zu zerkleinern. Anschließend wird sie gesiebt, um die größeren Partikel von den kleineren zu trennen, wobei letztere die wertvollen Elektrodenmaterialien enthalten. Die resultierende schwarze Masse wird dann hydrometallurgisch verarbeitet, um Lithium, Kobalt, Nickel usw. in Form von Metallsalzen in Batteriequalität zu gewinnen. Idealerweise würde dieser Prozess mit den Zellen beginnen, sodass die resultierende schwarze Masse einen höheren Anteil der kritischen Metalle aufweist. Einige haben ganze Module in den Shredder gegeben; auch ein komplettes Batteriepack könnte verarbeitet werden. In diesem Fall spielt die Batteriekonstruktion am Ende ihrer Nutzungsdauer eine untergeordnete Rolle, und der Entwickler könnte die kurzfristigen Vorteile eines kostengünstigeren und einfacher herzustellenden Batteriepacks nutzen. Dies würde jedoch die nachfolgenden Extraktionsschritte verkomplizieren.

Neben dem Recycling besteht auch die Möglichkeit, Elektrofahrzeugbatterien in Zweitnutzungsanwendungen wie stationären Energiespeichern einzusetzen. Laut einem Bericht von IDTechEx wird der Markt für Zweitnutzung von Elektrofahrzeugbatterien bis 2033 ein Volumen von 7 Milliarden US-Dollar erreichen. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, Batterien unmittelbar zu recyceln, und die meisten Hersteller von Zweitnutzungsbatterien setzen derzeit auf die Integration auf Packebene, um aufwendige und zeitintensive Demontageverfahren auf Zellebene zu vermeiden. Dennoch muss das Pack aus dem Fahrzeug ausgebaut werden. Ist das Pack fest mit der Fahrzeugstruktur verbunden, verlängert sich die Demontagezeit, was die Wiederverwendung verteuert. Würde ein Wiederaufbereiter jedoch hypothetisch die Zellen einzeln zerlegen, um die leistungsstärksten Zellen für seine Zweitnutzungsbatterie zu verwenden, könnte ein Zell-zu-Pack-Design (anstatt Zell-zu-Chassis) die Demontagezeiten verkürzen und die Wiederaufbereitungskosten senken. Dies würde zu einem leistungsfähigeren Zweitnutzungssystem führen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Integration von Zellen in Akkupacks wohl nicht verschwinden wird. Im Gegenteil, der Trend zu einer stärkeren Fahrzeugintegration dürfte sich dank geringerer Herstellungskosten und höherer Energiedichte fortsetzen. Akkupacks für Elektrofahrzeuge halten in der Regel länger als ursprünglich erwartet. Wenn jedoch in Zukunft mehr Akkupacks das Ende ihrer Lebensdauer erreichen, könnten die Schwierigkeiten und der Aufwand für das Recycling großer Mengen hochintegrierter Akkupacks deutlich werden. Entwickler müssen diesen Aspekt daher künftig sorgfältiger berücksichtigen, insbesondere angesichts strengerer Vorgaben für die Rückgewinnung kritischer Materialien.

IDTechEx hat die Auswirkungen der Zell-Pack- bzw. Zell-Chassis-Verbindung auf verschiedene Batteriematerialien, einschließlich Brandschutz- und Wärmeleitmaterialien, untersucht. Der IDTechEx-Bericht „Materialien für Batteriezellen und -packs von Elektrofahrzeugen 2023–2033“ behandelt bereits eingesetzte und angekündigte Zell-Pack- und Zell-Chassis-Verbindungen und deren Auswirkungen auf die Festigkeit verschiedener Materialien und Komponenten, darunter Stahl, Aluminium, Kupfer, Verbundwerkstoffe, Wärmeleitmaterialien, Brandschutzmaterialien, elektrische Isolierung, Kühlplatten und Kühlschläuche. Der Bericht geht außerdem detailliert auf die in Batterien verwendeten Materialien ein, wie Lithium, Kobalt, Nickel, Mangan, Elektrolyt, Eisen, Phosphor, Bindemittel, Gehäuse, Ruß, Silizium und Separatoren. Diese Materialien werden analysiert und Nachfrageprognosen für den Zeitraum 2023–2033 erstellt.