Wohin mit alten Akkus? Das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien

„Glückauf! Ich versuche die Flexibilität des Studiums zu nutzen, um die Welt zu entdecken und mich auch persönlich weiterzuentwickeln. Ich bin ein neugieriger Mensch, unruhiger Geist und sehr gerne unterwegs. Ich würde mich freuen, meine Erfahrungen - akademisch so wie privat - mit euch zu teilen."

Klimawandel und Umweltverschmutzung sind aktuellere Themen denn je. Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) haben aufgrund der Treibhausgasemissionen beim Herstellungsprozess, ihrer chemischen Zusammensetzung und den Bedingungen bei der Rohstoffförderung einen signifikanten Einfluss in beiden Bereichen. Dazu kommt, dass die Nachfrage nach LIBs in den nächsten Jahren weltweit stark ansteigen wird. Die Batterien enthalten nämlich unter anderem Wertmetalle wie Lithium, Mangan, Kobalt oder Nickel. Diese Metalle sind zu großen Teilen für den ökologischen Fußabdruck der Batterien verantwortlich.

Aus diesem Grund wird an der Montanuniversität Leoben intensiv an einem nachhaltigen Recyclingverfahren zur Rückgewinnung der in den LIBs verbauten Elementen geforscht. Alexandra Holzer ist eine der jungen Wissenschaftlerinnen, die dafür im Rahmen ihrer Doktorarbeit Experimente an der sogenannten „InduMelt-Anlage“ am Lehrstuhl für Thermoprozesstechnik durchführt.

In unserem neuen Videobeitrag stellt Alexandra das innovative pyrometallurgische Verfahren vor, das eine besonders hohe Effizienz beim Recycling der Wertstoffe Lithium, Phosphor sowie Nickel und Kobalt verspricht.

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Energie in Batterien speichern?

Weltweit ist in den letzten Jahren ein Trend in Richtung einer mit weniger Treibhausgasemission verbundenen Art der Energiebereitstellung ersichtlich. So wollen zum Beispiel die EU-Mitgliedsstaaten ihre Treibhausgasemissionen bis 2050 um 80-95% gegenüber 1990 reduzieren. Dabei spielt der Ausbau erneuerbarer Energiequellen eine entscheidende Rolle. Hand in Hand mit dieser Thematik geht die Frage einher, wie man die so gewonnene elektrische Energie speichern bzw. sinnvoll verwenden kann. Neben diversen anderen Technologien, wird auch den Batteriespeichern eine zunehmend größer werdende Rolle zukommen.

Das gesamte Anwendungsspektrum für Batterietechnologien umfasst viele verschiedene Bereiche, wie z. B. den Einsatz in der Elektromobilität, tragbaren elektronischen Geräten, in medizinischen Geräten oder Elektrowerkzeuge. Dabei stellt jeder dieser Bereiche aber sehr verschiedene Anforderungen an Faktoren wie Leistungsdichte, Kapazität, Lebenszyklus, Energiedichte, Kosten, Ladezeit, Zuverlässigkeit und Sicherheit.

Steigender Bedarf

Mit dem stetig steigenden Bedarf an LIBs wird in den kommenden Jahren auch eine große Menge an verbrauchten LIBs einhergehen, da diese nur eine begrenzte Lebensdauer besitzen. Derzeit sind kommerzielle LIBs aus Lithiummetalloxiden oder Lithiumeisenphosphat, Aluminium, Kupfer, Graphit, organischen Elektrolyten welche umweltschädliche Lithium-Salze enthalten, Polymerseparatoren und einer Kunststoff- oder Metallhülle zusammengesetzt. Aufgrund des teilweisen Fehlens von sachgerechter Entsorgung bzw. dem Mangel an effizienten Recyclingverfahren werden durch diese Abfälle ohne weiteres Handeln gravierende Umweltschäden entstehen und wertvolle Ressourcen verschwendet.

Made in Leoben

Die Forschung an der Montanuniversität beschäftigt sich mitunter mit einem neuartigen, carbo-thermischen Recyclingverfahren, durch welches eine pyrometallurgische Rückgewinnung der Wertmetalle im Kathodenmaterial, mit Ausnahme von Lithium, in Form einer Legierung ermöglicht werden soll. Simultan soll dabei die Wiedergewinnung von Lithium und Phosphor, sofern im Inputmaterial enthalten, über die Gasphase erfolgen. Die Möglichkeit zur Rückgewinnung von Phosphor stellt hierbei einen wichtigen Aspekt dar, da dadurch ein wesentlicher Beitrag zur Ressourcenschonung geleistet werden kann. Schließlich dient das Recycling von LIBs neben dem Umweltschutz auch dem Abbau der Abhängigkeit Europas von Drittstaaten. Bereits als Konsument kann man einen einfachen, aber wichtigen Beitrag zum Recycling von LIBs leisten, indem man die Batterie am Ende ihrer Lebenszeit zur korrekten Sammelstelle bringt.

Ein Labor mit Versuchsanlagen für das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien.
Der Versuchsaufbau der InduMelt-Anlage am Lehrstuhl für Thermoprozesstechnik

Quellen - Zum Weiterlesen:

  • Altmann-Mavaddat, N., Athavale, S., Baumann, M., Bonger, T., Bürbaumer, H., Hirtl, A. et al., Klima und Energie: Wissen kompakt, www.klimafonds.gv.at/wp-content/uploads/sites/6/Klima-und-Energie-Wissen-kompakt-final.pdf , abgerufen am 23. März 2021.
  • Thielmann, A., Neef, C., Hettesheimer, T., Döscher, H., Wietschel, M. and Tübke, J., Energiespeicher-Roadmap (Update 2017) Hochenergie-Batterien 2030+ und Perspektiven zukünftiger Batterietechnologien, www.isi.fraunhofer.de/content/dam/isi/dokumente/cct/lib/Energiespeicher-Roadmap-Dezember-2017.pdf, abgerufen am 22. März 2021.
  • Baes, K., Kolk, M., Carlot, F., Merhaba, A. and Ito, Y., Future of batteries (2018).
  • Huang, B., Pan, Z., Su, X. and An, L., Recycling of lithium-ion batteries: Recent advances and perspectives, ELSEVIER (2018). DOI: 10.1016/j.jpowsour.2018.07.116.
  • Holzer, A., Windisch-Kern, S., Ponak, C. and Raupenstrauch, H., A novel pyrometallurgical recycling process for lithium-ion batteries and its application to the recycling of LCO and LFP, metals (2020). DOI: 10.3390/met11010149.
  • Kwon, O. and Sohn, I., Fundamental thermokinetic study of a sustainable lithium-ion battery pyrometallurgical recycling process, ELSEVIER (2020). DOI: 10.1016/j.resconrec.2020.104809.
  • Holzer, A., Pyrometallurgisches Recycling von Aktivmaterial aus der Aufbereitung von Lithium-Ionen-Batterien in einem induktiv beheizten Schüttschichtreaktor, Masterarbeit, Montanuniversität Leoben, Leoben, 2019.
  • Basudev, S., Recovery and recycling of lithium: A review, ELSEVIER (2016). DOI: 10.1016/j.seppur.2016.08.031.
  • Schönberg, A., Raupenstrauch, H. and Ponak, C., Verfahren und Produkte der Phosphor-Rückgewinnung, www.vivis.de/wp-content/uploads/EaA15/2018_EaA_679-692_Schoenberg , abgerufen am 23. März 2021.
  • Holzer, A., Windisch, S., Hochsteiner, T., Ponak, C. and Raupenstrauch, H., FFG - Endbericht, Untersuchung der Eignung eines pyrometallurgischen Recyclingverfahrens zur Rückgewinnung der Wertmetalle aus Lithium-Ionen-Batterien (2020).

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