Der Akku als Schatztruhe

Schwerarbeit am Batteriepack

Einen Schritt weiter ist man bei der Spezialfirma Duesenfeld im niedersächsischen Wendeburg, die bereits eine Anlage für das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien betreibt. Auf dem Hof des Betriebs stehen Boxen, die fast so groß sind wie ein Kleinwagen. Mitarbeiter öffnen deren starke Scharniere. Sie entfernen die für Lithium-Ionen-Batterien dieser Größe vorgeschriebene Verpackung und Polsterung aus Sicherheitsfolien und Saugmaterialien. Danach lösen die Arbeiter mit einem Schrauber die Fixierungen – und können somit das schwere Batteriesystem mit einer Krankatze herausheben und vorsichtig auf den Gabelstapler bugsieren.

Bereits dieser erste Schritt verdeutlicht, wie schwierig das Recycling von ausgedienten Lithium-Ionen-Akkus ist. Die Batteriesysteme sind sperrig, mehrere Hundert Kilogramm schwer und mit Vorsicht zu behandeln. Ihre Erwärmung oder mechanische Beschädigung kann zur Selbstentzündung und gefährlichen Bränden führen. Doch der Aufwand lohnt sich, denn er ist eine Voraussetzung für die Nachhaltigkeit der Elektromobilität.

„Die Akkus stecken voller wertvoller und teils kritischer Rohstoffe, die unbedingt zurückgewonnen und im Kreislauf geführt werden müssen“, sagt Andreas Bittner vom Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC in Würzburg. Bittner hat mit seinem Team das Forschungsprojekt AutoBatRec2020 auf den Weg gebracht, an dem Recyclingunternehmen, Batteriehersteller, Wissenschaftler sowie Autobauer beteiligt sind. Ziel ist die Verbesserung der gesamten Recyclingkette von Alt-Akkus: vom Einsammeln bis zur Wiederverwendung der Rohstoffe für neue E-Auto-Batterien.

Kupferkabel sowie Aluminium, Stahl oder Kunststoffe der Gehäuse der Batterien lassen sich verhältnismäßig einfach wiederverwerten. „Je weiter es jedoch hineingeht, umso größer wird die Herausforderung“, sagt Bittner.

Viele wertvolle Rohstoffe

Im Inneren der Module und Zellen stecken die wertvollen und kritischen Rohstoffe. Die Batterie eines Mittelklasse-Elektrofahrzeugs enthält ungefähr 6 Kilogramm Lithium, 10 Kilogramm Mangan, 11 Kilogramm Kobalt, 32 Kilogramm Nickel und 50 Kilogramm Grafit.

Das Vorkommen dieser Rohstoffe ist begrenzt, und die Nachfrage nach ihnen wird mit der wachsenden Elektromobilität steigen. Dazu kommt: Nicht wenige der Rohstoffe werden auf Kosten von Menschen, Klima und Umwelt gewonnen. Kobalt zum Beispiel wird überwiegend in der Demokratischen Republik Kongo gefördert – und das teilweise unter menschenunwürdigen Bedingungen. Der vielerorts wasserintensive Abbau von Lithium führt zu starken Umweltschäden.

Die Firma Duesenfeld scheint für das Recyceln dieser Rohstoffe eine Lösung gefunden zu haben. „Wir erzielen bei geringem Energieaufwand höchste Rückgewinnungsquoten“, sagt Julius Schumacher, Head of Plant Engineering. Nach eigenen Angaben gewinnt das Unternehmen 91 Prozent der Rohstoffe eines Alt-Akkus zurück. Und das in ausreichender Qualität für die Verwendung in neuen Akkus. „Warum also immer größere Mengen der Rohstoffe in fernen Ländern unter fragwürdigen Bedingungen abbauen und nach Europa transportieren?“, fragt Schumacher.

Hohe Anforderung an die Sicherheit

Hinter dem Produktionsleiter fährt der Gabelstapler das Batteriesystem zur Tiefen-Entladung mit anschließendem Kurzschließen. Das ist aus Sicherheitsgründen die Voraussetzung für alle weiteren Schritte. Die in den Akkus noch gespeicherte elektrische Energie wird genutzt. „Die Batterien bringen bei uns den Strom für ihr Recycling selbst mit.“ Julius Schumacher weist auf einen Bildschirm mit auf- und ablaufenden Zahlenreihen. Sie zeigen an, wie viel Energie durch die Entladung gewonnen, wie viel aus dem Netz bezogen und wie viel eingespeist wird. Rund 45 Prozent der benötigten Energie der Recyclinganlage konnte in den letzten Jahren im Schnitt über den Entladestrom abgedeckt werden. Der geringe Energieverbrauch ist eine der Besonderheiten des Verfahrens von Duesenfeld.

Andere Recycler, etwa die Firma Umicore im belgischen Hoboken, schmelzen die Zellen und Module in einem Schachtofen bei hoher Temperatur ein. Dabei wird eine Legierung gewonnen, die vor allem aus Kupfer, Kobalt und Nickel besteht. Diese wird unter dem Einsatz von viel Energie in ihre Bestandteile aufgetrennt und gereinigt. Das lohnt sich, weil die Preise dieser Rohstoffe hoch sind. Der Grafit dagegen verbrennt als Energiespender. Das Lithium landet in einer Schlacke. Um es wieder für Batterien verwenden zu können, muss es aufwendig herausgetrennt werden. Das aber ist angesichts der Preise für Lithium zurzeit nicht wirtschaftlich.

Gegen das Einschmelzen spricht aber noch etwas viel Wichtigeres: Der Betrieb von Schachtöfen kostet viel Energie und setzt große Mengen an CO₂ frei. „Im Vergleich dazu spart unser Verfahren 4,8 Tonnen CO₂ pro Tonne recycelter Batterien“, sagt Schumacher. Noch höher ist nach den Angaben des niedersächsischen Unternehmens mit 8,1 Tonnen weniger CO₂ die Einsparung im Vergleich zur Primärgewinnung der Rohstoffe.

Zunächst per Hand zerlegen

Das Herzstück der Anlage steht in der Mitte der Halle. Bevor die Module und Zellen dorthin gelangen, zerlegen Arbeiter die Batteriesysteme in ihre Einzelteile. Kupferkabel, Aluminiumgehäuse, Kunststoffe und eisenhaltige Metalle werden in Boxen getrennt und in externen Recyclingbetrieben wiederaufbereitet. Die Module und Zellen fahren auf einem Transportband zunächst zur mechanischen Zerkleinerung. Der Elektrolyt aber ist brennbar, andere Inhaltsstoffe sind ebenfalls gefährlich. Man kann sie nicht einfach schreddern. „Um eine sichere Prozessführung zu gewährleisten, zerkleinert die Anlage die Teile unter Ausschluss von Sauerstoff in einer Atmosphäre aus Stickstoff“, erklärt Schumacher.

Aufgrund der niedrigen Prozesstemperatur bilden sich keine toxischen Gase. Das Granulat, das herauskommt, ist aber immer noch durchtränkt vom Elektrolyten. Das Lösungsmittel des Elektrolyten wird unter Vakuum nun vollständig ausgedunstet, zurückgewonnen und in der chemischen Industrie weiter aufgearbeitet. Julius Schumacher zeigt eine Probe des getrockneten Granulats aus schwarzen Kleinteilen unterschiedlicher Körnung. Es wird nach Korngröße, Dichte, magnetischen und elektrischen Eigenschaften in die enthaltenen Materialgruppen getrennt. Eisen, Kupfer und Aluminium gehen den Weg der etablierten Wiederverwertung. Die Rohstoffe der sogenannten Schwarzmasse – also Kobalt, Nickel, Lithium, Mangan und Grafit – können nach dem Aufarbeiten erneut für die Herstellung von Akkus verwendet werden. Nach Angaben des Unternehmens finden sie einen reißenden Absatz.

Ergebnis eines Forschungsprojekts

Entstanden ist das mehrfach patentierte Verfahren aus einem Forschungsprojekt der TU Braunschweig. Eine erste Pilotanlage wurde 2017 in Betrieb genommen. Daraus entstand seit 2019 die heutige Anlage. „Wir sind auf Expansionskurs“, sagt Sales-Director Andrea Mirandola. Das Geschäftsmodell der Firma Duesenfeld: die industrienahe Forschung und Entwicklung von umweltfreundlichen Recyclingverfahren für Lithium-Ionen-Batterien und deren weltweite Lizenzierung. Trotz der relativ kleinen Menge soll bald erstmals eine schwarze Null vor dem Komma stehen. Haupteinnahmequelle des Unternehmens sind zurzeit die Entsorgungsgebühren, erst dann der Verkauf der Rohstoffe. „Das ist aber eine Momentaufnahme, das Verhältnis kann sich jederzeit ändern“, erklärt Frank Kleineidam.

Für die Forschung und das Recycling im Drei-Schicht-Betrieb arbeiten bei Duesenfeld rund 50 Mitarbeiter. Bei den recycelten Alt-Akkus handelt es sich überwiegend um Vorserien-Akkus deutscher Autohersteller. Duesenfeld recycelt bis zu 3000 Tonnen jährlich. „Die hohe Rohstoffrückgewinnung aus recycelten Batterien führt zu einer geringeren Nutzung oder Ausbeutung natürlicher Ressourcen“ sagt Andrea Mirandola.

Nach einer Studie des Ökoinstituts in Freiburg dürfte die Rückgewinnung von Lithium und auch Grafit künftig stark an Bedeutung gewinnen. Bis 2050 schätzt das Institut den Bedarf an Lithium für die Elektromobilität auf 600 000 Tonnen pro Jahr. Das ist etwa das 7,5-Fache der weltweiten Förderung.

Noch ist die Zahl der zu entsorgenden Akkus überschaubar. Zudem können ausgediente Batterien ein zweites Leben als Speicher für Strom aus Photovoltaik- oder Windenergieanlagen führen. Das zeigen Pilotprojekte im Hamburger Hafen oder im BMW-Werk in Leipzig. Dieses zweite Dasein kann zehn bis zwölf Jahre dauern. Am Ende aber müssen sie alle entsorgt werden.

Elektroauto-Boom in ganz Europa

Dann dürfte auch der Bedarf an neuen Akkus und den dafür notwendigen Rohstoffen stark gestiegen sein. Nach Prognosen, die bisherige Ziele der Bundesregierung stark unterschreiten, sollen bis 2030 in Deutschland sieben bis zehn Millionen Elektrofahrzeuge zugelassen werden. Bereits jetzt wächst die Zahl der Elektroautos in ganz Europa stetig. Zudem ändern sich gerade die Vorgaben der Europäischen Union zum Recycling. Die bislang vorgeschriebene Quote von 50 Prozent wird bereits mit dem Recycling von Gehäusen und Kabeln erreicht.

Im Dezember 2020 hat die EU-Kommission im Rahmen des „Green Deals“ strengere Vorgaben ab 2022 vorgeschlagen. Unter anderem sollen künftig Kobalt, Kupfer, Nickel, Blei und Lithium in einer Qualität zurückgewonnen werden, die für die Verwendung in der Batterieindustrie ausreicht – also das, was Duesenfeld bereits leistet. Und die Hersteller von Batterien müssen Mindestquoten für wiederverwendete Rohstoffe erfüllen. Zudem werden Obergrenzen für den CO₂-Abdruck von E-Auto-Batterien vorgeschlagen.

Angesichts dieser Prognosen wundert es nicht, dass Duesenfeld nicht das einzige Unternehmen ist, das sich mit dem Recycling der Rohstoffe von Elektroauto-Akkus beschäftigt. Fast zehn Unternehmen oder Konsortien in Europa arbeiten derzeit an der Entwicklung oder Verbesserung von Prozessen und dem Ausbau ihrer Kapazitäten. Die Unternehmen BASF und Porsche verkündeten 2021 eine Kooperation zur Herstellung von Lithium-Ionen-Akkus sowie eine gemeinsame Pilotanlage zur Wiederverwertung von ausgedienten Lithium-Ionen-Akkus und von Produktionsabfällen aus der Batterieherstellung.

Das Ziel: eine bessere Trennung der Rohstoffe

Die auf das Recycling von Batterien spezialisierte Accurec Recycling in Krefeld entwickelt im Rahmen des Forschungsprojektes Mercator eine Pilotanlage zum Recycling von Lithium-Ionen-Akkus aus der Elektromobilität. Besonderes Ziel ist dabei die Rückgewinnung von Lithium und Grafit. Accurec setzt vor der mechanischen Zerlegung der Zellen eine thermische Behandlung ein, um die auf Folien verklebten Rohstoffe besser trennen zu können. Die Wärme entsteht durch die Verbrennung der Gase aus dem Elektrolyten und Kunststoffen.

Am Ende wird auch hier die Schwarzmasse unter niedrigen Temperaturen in ihre Bestandteile zerlegt, die dann für die Neuproduktion von Akkus taugen. An dem Forschungsprojekt beteiligt sind unter anderem das Ökoinstitut Freiburg, das chilenische Lithium-Produktionsunternehmen SQM sowie der US-amerikanische Automobilhersteller Ford.

Auch bei Volkswagen beschäftigt man sich mit dem Thema. Anfang 2021 nahm das Unternehmen in Salzgitter eine Recyclinganlage in Betrieb. Wie die Anlage von Duesenfeld ist sie aus einem Forschungsprojekt der TU Braunschweig entstanden. Die Verfahren beider Anlagen ähneln sich. „Unser Ziel ist es, einen eigenen Kreislauf mit mehr als 90 Prozent Wiederverwertung unserer Batterien zu schaffen“, sagt Thomas Tiedje, Leiter der Technischen Planung der Volkswagen Group Components.

Rohstoffe und CO₂ einsparen

Der Konzern will an zehn Standorten in Europa eigene Batteriezellen für seine E-Modelle herstellen. Durch die Verwendung recycelter Rohstoffe soll langfristig nicht nur der Primärbedarf des Konzerns an Rohstoffen, sondern auch der CO₂-Fußabdruck der Batterien verringert werden. „Wenn wir unsere Kathoden ausschließlich aus recyceltem Material herstellen, sparen wir mehr als eine Tonne CO₂ pro Fahrzeug ein“, sagt Thomas Tiedje. Mit eigenen Recyclinganlagen kann der Konzern auch schneller auf Änderungen im Batteriedesign reagieren. So gehen viele Experten davon aus, dass der Anteil von Kobalt in den Akkus immer weiter verringert wird.

„Wir müssen am Ball bleiben und unser Verfahren stetig anpassen“, bestätigt Frank Kleineidam von Duesenfeld, auch weil man das eigene Verfahren ständig verbessern will. „Wir wollen möglichst nah an die 100 Prozent.“ Um das zu erreichen, müsste Duesenfeld auch die Schwarzmasse recyceln können, die nach der Zerkleinerung noch an den Separator- und Stromableiterfolien der Zellen hängt.

Vielversprechend dafür ist das sogenannte Schockwellen-Verfahren. Entwickelt wurde es unter anderem von dem Unternehmen ImpulsTec im Rahmen des von den Forschern am Fraunhofer ISC in Würzburg koordinierten Projekts AutoBatRec2020. Bei der Schockwellenzerkleinerung werden die Batteriezellen in einem Behälter zerlegt, der mit einem wässrigen Medium gefüllt ist. In dem Behälter erzeugen Hochspannungselektroden zyklisch Schockwellen. Die intensiven Druckstöße öffnen das Gehäuse der Batteriezellen und lösen die Elektrodenmaterialien von den Folien. Diese Zerlegung kann auch selektiv erfolgen, um die Kathoden- und Anodenmaterialien getrennt wiederverwerten zu können. Wichtig dabei ist ein recyclingfreundliches Design, etwa durch eine Standardisierung der Bauformen und Schnittstellen unterschiedlicher Hersteller oder leicht trennbare Verbindungen. „Dadurch ließen sich auf jeden Fall die Effizienz und die Skalierbarkeit des Recyclingprozesses verbessern“, meint Andreas Bittner vom Würzburger Fraunhofer-Institut für Silicatforschung. Außerdem könnte das Design der Zellen zum Beispiel so gestaltet werden, dass beim Zerlegen größerer Mengen von Alt-Akkus Roboter eingesetzt werden können.

Es gibt also noch viel zu tun auf dem Weg hin zu einer nachhaltigen Form der Elektromobilität. Zum Glück beteiligen sich daran etliche Akteure mit ihren guten Ideen.