Recycling von Lithiumbatterien und Treibhausgasemissionen

Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) werden jetzt in Mobiltelefonen, Laptops und Elektrofahrzeugen (EVs) verwendet, aufgrund ihrer hohen Energie pro Masseneinheit im Vergleich zu anderen elektrischen Energiespeichersystemen. Sie haben auch ein hohes Leistungsgewicht, Energieeffizienz, Hochtemperaturleistung und eine geringe Selbstentladung. Die meisten der heutigen vollelektrischen Fahrzeuge und Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEVs) verwenden Lithium-Ionen-Batterien. Die genaue Chemie dieser Batterien variiert oft von den für Unterhaltungselektronik verwendeten. Aktuelle Herausforderungen in dieser Branche drehen sich um die Reduzierung der relativ hohen Kosten (aufgrund begrenzter Verfügbarkeit), die Verlängerung ihrer Lebensdauer und die Behebung von Sicherheitsbedenken hinsichtlich Überhitzung, die zu Explosionen führen kann. Daher sind neue Lösungen für das Recycling und die Wiederverwendung von Materialien, die in LIBs verwendet werden, erforderlich. 

LIB-Anwendungen werden oft als „null Emissionen“ bezeichnet. Dies ignoriert jedoch die Emissionen in der Lieferkette, die in den Beschaffungs- und Produktionsphasen entstehen. LIBs sind einer der Hauptverursacher von Treibhausgasemissionen (GHG) während der Herstellung von EVs. In diesem Fall wird empfohlen, LIBs zu recyceln, um den Energieverbrauch zu reduzieren, GHG-Emissionen zu mindern und erhebliche Abfallersparnisse zu erzielen. Darüber hinaus hat die beschleunigte Produktion von LIBs im Bereich der sauberen Energietechnologien zu einer starken Nachfrage nach Mineralien wie Lithium (Li), Kobalt (Co) und Mangan (Mn) geführt. Die verbrauchten LIBs könnten als sekundäre Quelle dieser Mineralien betrachtet werden. Eine umweltfreundliche Möglichkeit zur Rückgewinnung dieser Mineralien aus Abfällen zu finden, ist entscheidend. Die zunehmende Beliebtheit von EVs hat zu einem Anstieg der Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien geführt, die diese Fahrzeuge antreiben. In den USA wird erwartet, dass der Anteil der EVs bis 2030 von 5 % auf 25 % aller verkauften Autos steigt. Mit der wachsenden Anzahl von EVs auf der Straße wächst auch der Bedarf an effizientem und effektivem Recycling ihrer Batterien. 

Das Recycling von LIBs kann helfen, GHG-Emissionen zu reduzieren, indem der Energiebedarf zur Herstellung neuer Batterien gesenkt und gefährliche Materialien daran gehindert werden, in die Umwelt zu gelangen. Dieser Artikel wird erörtern, wie das Recycling von Batterien helfen kann, GHG-Emissionen zu reduzieren und welche Schritte unternommen werden können, um sicherzustellen, dass diese Batterien ordnungsgemäß recycelt werden.

Die Produktion von LIBs erfordert eine erhebliche Menge an Energie, die typischerweise aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Kohle oder Erdgas erzeugt wird. Dieser Prozess setzt große Mengen an GHGs in die Atmosphäre frei und trägt zum Klimawandel bei. Durch das Recycling von Batterien anstelle der Herstellung neuer können wir den Energiebedarf für die Produktion reduzieren und somit GHG-Emissionen verringern. Das Recycling von LIBs hilft, gefährliche Materialien wie Blei und Cadmium daran zu hindern, in die Umwelt zu gelangen. Diese Materialien können toxisch sein, wenn sie in Wasser- oder Bodensysteme gelangen, daher müssen sie ordnungsgemäß recycelt werden. Es können mehrere Schritte unternommen werden, um EV-Batterien ordnungsgemäß und effizient zu recyceln. Zunächst sollten Hersteller ihre Produkte mit Blick auf die Recyclingfähigkeit entwerfen und Materialien verwenden, die leicht zu trennen und zu recyceln sind. Dies erleichtert es den Recyclingunternehmen, die Materialien zu verarbeiten, ohne zusätzliche Energie oder Ressourcen zu verwenden. Darüber hinaus sollten Hersteller klare Anweisungen geben, wie Verbraucher ihre gebrauchten EV-Batterien entsorgen sollten, damit sie angemessen recycelt werden können. 

Kernunterscheidung: Remanufacturing vs. Recycling

Es ist entscheidend, zwischen diesen beiden Lebenszykluswegen zu unterscheiden, da sie in unterschiedlichen Phasen des Lebenszyklus der Batterie eingreifen.

Remanufacturing (Überholung & Umnutzung): Dies geschieht auf Pack- oder Modulniveau. Anstatt die Batterie zu zerstören, um Rohstoffe zu gewinnen, wird das Batteriemodul zerlegt und fehlerhafte Zellen oder Module werden ersetzt. Die Batterie wird neu ausbalanciert und die Steuerelektronik wird aktualisiert. Das Ergebnis ist ein funktionierendes Batteriemodul, das bereit für ein „zweites Leben“ ist (oft in stationären Energiespeichern), wodurch die Notwendigkeit für Materialrecycling hinausgeschoben wird.

Recycling: Dies geschieht auf Materialebene, wenn eine Batterie ihr absolutes Lebensende erreicht hat. Das Ziel ist es, Rohstoffe (Extraktion) zu gewinnen oder aktive Materialien (direktes Recycling) wiederherzustellen, um brandneue Batteriezellen herzustellen.

Es gibt 3 Recyclingmethoden für LIBs: Pyrometallurgie, Hydrometallurgie und direkte physikalische Recyclingmethoden von EV-Batterien. Die Kohlenstoffemissionen der Pyrometallurgie, Hydrometallurgie und direkten physikalischen Recyclingmethoden werden in mehreren Studien berechnet.

Pyrometallurgischer Recyclingprozess:  Die Batterie wird zerkleinert und bei hohen Temperaturen (>1000°C) geschmolzen. Dies gewinnt Metalllegierungen (Nickel, Kobalt), verbrennt jedoch Kunststoffe und Graphit.

1. Die Kohlenstoffemission des pyrometallurgischen Recyclingprozesses beträgt 5,11 kg CO₂-eq/kWh.
2. Der Prozess umfasst das Hochtemperaturschmelzen von Batterien mit einer Temperatur von mehr als 1000 °C.
3. GHG-Emissionen resultieren aus der fossilen Brennstoffenergie, die im metallurgischen Prozess verbraucht wird.
4. Der Graphit in der Anode kann nicht durch Pyrometallurgie recycelt werden, und die Pyrolyse von Graphit in einer Hochtemperaturumgebung wird GHG-Emissionen erzeugen.
5. Hoher wirtschaftlicher Wert, aber geringer ökologischer Wert.

Hydrometallurgischer Recyclingprozess: Die Batterie wird in „schwarze Masse“ zerkleinert und in Säurelösungen gelöst, um Metalle zu trennen. Dies gewinnt spezifische Rohstoffe wie Nickel, Kobalt und Lithiumcarbonat.

1. Die GHG-Emission der Hydrometallurgie beträgt 2,68 kg CO₂-eq/kWh, was 47,6 % niedriger ist als die der Pyrometallurgie.
2. Die Hydrometallurgie führt 10 Hauptschritte der chemischen Behandlung unter Niedertemperaturbedingungen durch, ohne hohe Energieverbrauchs- und hohe Kohlenstoffemissionsprozesse.
3. Der Prozess erzeugt jedoch eine beträchtliche Menge an giftigen Gasen und Abfalllösungen.

Direktes physikalisches Recycling (Injektionsmethode): Eine aufkommende Technologie, die sich von der traditionellen Extraktion unterscheidet. Anstatt das Kathodenmaterial bis auf Atome zu zerlegen, wird die Kristallstruktur erhalten. Frisches Lithium wird „injiziert“ (Relithiation) oder die Oberfläche wird geglüht, um die elektrochemische Leistung wiederherzustellen. „Batterie-Qualität“ Kathodenpulver, das sofort wieder in eine neue Batterie eingesetzt werden kann, ohne die Notwendigkeit, die Kristallstruktur neu zu synthetisieren.

• Die Kohlenstoffemission der direkten physikalischen Recyclingmethode beträgt 3,65 kg CO₂-eq/kWh.
• Da die Produkte des direkten physikalischen Recyclings Materialien sind, die direkt in der Batterieproduktion verwendet werden können, werden die komplizierten Materialreproduktionsschritte und die sekundäre Verschmutzung reduziert.
• Das nickelreiche Material, das im Reparaturprozess verwendet wird, wie Ni_0.83Mn_0.09Co_0.08(OH)₂, Ni(OH)₂ oder Lithiumverbindungen wie LiOH–Li₂SO₄, die im Wärmebehandlungsprozess verwendet werden, und der Energieverbrauch sind die Hauptquellen der Kohlenstoffemission.

Vergleich der GHG-Emissionsreduktion im Vergleich zu nicht recycelten Batterien

Obwohl der Recyclingprozess von LIBs Kohlenstoffemissionen erzeugt, können die recycelten Materialien direkt zur Herstellung von Batterien verwendet werden, wodurch die Kohlenstoffemissionen vermieden werden, die durch den Abbau und die Raffinierung von Rohstoffen verursacht werden. Daher schätzen Ingenieure die Menge der GHG-Emissionsreduktion von LIBs im Vergleich zu Jungbatterien.

GHG-Emission von remanufacturing Batterien mit recycelten Materialien durch

• Pyrometallurgie beträgt 86,86 kg CO₂-eq/kWh, was 4,8 % niedriger ist als bei Batterien, die mit Rohstoffen hergestellt wurden.
• Hydrometallurgie beträgt 60,77 kg CO₂-eq/kWh, was 33,47 % niedriger ist als bei Batterien, die mit Rohstoffen hergestellt wurden.
• Direktes physikalisches Recycling beträgt 43,92 kg CO₂-eq/kWh, was 51,8 % niedriger ist als bei der Verwendung von Rohstoffen. Allerdings ist die physikalische Recyclingmethode technologisch noch nicht ausgereift und befindet sich noch in der Phase kleiner Experimente. Die Entwicklung effizienter und ausgereifter physikalischer Recyclingmethoden für großflächige Anwendungen ist entscheidend, um Kohlenstoffemissionen zu reduzieren.