Recycling von Lithiumbatterien und Treibhausgasemissionen

Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) werden heute in Mobiltelefonen, Laptops und Elektrofahrzeugen (EVs) verwendet, da sie im Vergleich zu anderen elektrischen Energiespeichersystemen einen hohen Energiegehalt pro Masseneinheit aufweisen. Sie verfügen außerdem über ein gutes Leistungsgewicht, sind energieeffizient, beständig bei hohen Temperaturen und haben eine geringe Selbstentladung. Die meisten der heutigen vollelektrischen Fahrzeuge und Plug-in-Hybridfahrzeuge (PHEVs) verwenden Lithium-Ionen-Batterien. Die genaue chemische Zusammensetzung dieser Batterien unterscheidet sich häufig von jenen, die in der Unterhaltungselektronik verwendet werden. Die aktuellen Herausforderungen für diese Branche bestehen darin, die relativ hohen Kosten (aufgrund des begrenzten Angebots) zu senken, ihre Lebensdauer zu verlängern und Sicherheitsbedenken hinsichtlich explosionsgefährdender Überhitzung auszuräumen. Daher bedarf es neuer Lösungen für das Recycling und die Wiederverwendung der in LIBs verwendeten Materialien. Die meisten Komponenten von LIBs können recycelt werden, aber die Kosten der Materialrückgewinnung stellen für die Branche nach wie vor eine Herausforderung dar. Daher sind neue Lösungen erforderlich. 

LIB-Anwendungen werden oft als „emissionsfrei“ bezeichnet. Dabei werden jedoch die Emissionen aus der Lieferkette, die in den Phasen Beschaffung und Produktion entstehen, außer Acht gelassen. LIB sind einer der Hauptverursacher von Treibhausgasemissionen bei der Herstellung von Elektrofahrzeugen. Daher empfiehlt sich das Recycling von LIB, um den Energieverbrauch zu senken, die Treibhausgasemissionen zu verringern und die Abfallmenge deutlich zu reduzieren. Zudem hat die zunehmende Produktion von LIB im Rahmen sauberer Energietechnologien zu einer starken Nachfrage nach Mineralien wie Lithium (Li), Kobalt (Co) und Mangan (Mn) geführt. Die verbrauchten LIB können als Sekundärquelle für diese Mineralien betrachtet werden. Es ist daher entscheidend, eine umweltverträgliche Methode zur Rückgewinnung dieser Mineralien aus Abfällen zu finden. Die zunehmende Beliebtheit von Elektrofahrzeugen hat zu einem Anstieg der Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien zum Antrieb dieser Fahrzeuge geführt. In den USA wird der Anteil der Elektrofahrzeuge an allen verkauften Autos bis 2030 voraussichtlich von 51 auf 251 TP4T steigen. Mit der steigenden Zahl der Elektrofahrzeuge auf den Straßen steigt auch der Bedarf an einem effizienten und effektiven Recycling ihrer Batterien. 

Das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien kann zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen beitragen, da es den Energiebedarf für die Herstellung neuer Batterien senkt und den Eintrag gefährlicher Stoffe in die Umwelt verhindert. Dieser Artikel erläutert, wie das Recycling von Batterien zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen beitragen kann und welche Schritte unternommen werden können, um ein ordnungsgemäßes Recycling dieser Batterien sicherzustellen.

Die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) erfordert erhebliche Mengen Energie, die üblicherweise durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Kohle oder Erdgas erzeugt wird. Dieser Prozess setzt große Mengen an Treibhausgasen in die Atmosphäre frei und trägt zum Klimawandel bei. Indem wir Batterien recyceln, anstatt neue zu produzieren, können wir den für die Produktion benötigten Energiebedarf und somit die Treibhausgasemissionen reduzieren. Das Recycling von LIBs trägt dazu bei, den Eintrag gefährlicher Stoffe wie Blei und Cadmium in die Umwelt zu verhindern. Diese Stoffe können giftig sein, wenn sie in Gewässer oder Böden gelangen, und müssen daher ordnungsgemäß recycelt werden. Für ein ordnungsgemäßes und effizientes Recycling von Elektrofahrzeugbatterien gibt es mehrere Möglichkeiten. Erstens sollten Hersteller ihre Produkte recycelbar gestalten und Materialien verwenden, die sich leicht trennen und recyceln lassen. Dies erleichtert den Recyclingbetrieben die Verarbeitung der Materialien ohne zusätzlichen Energie- oder Ressourcenverbrauch. Darüber hinaus sollten Hersteller klare Anweisungen zur Entsorgung gebrauchter Elektrofahrzeugbatterien bereitstellen, damit diese ordnungsgemäß recycelt werden können. 

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

Pyrometallurgisches Recyclingverfahren:

1. Die Kohlenstoffemissionen des pyrometallurgischen Recyclingprozesses betragen 5,11 kg CO₂-Äq/kWh.
2. Bei dem Verfahren handelt es sich um Hochtemperaturschmelzbatterien mit einer Temperatur von über 1000 °C.
3. Die Treibhausgasemissionen entstehen durch die im metallurgischen Prozess verbrauchte Energie aus fossilen Brennstoffen.
4. Der Graphit in der Anode kann nicht pyrometallurgisch recycelt werden, und die Pyrolyse von Graphit in einer Hochtemperaturumgebung führt zu Treibhausgasemissionen. 
5. Hoher wirtschaftlicher Wert, aber geringer ökologischer Wert. 

Hydrometallurgisches Recyclingverfahren: 

1. Die Treibhausgasemissionen der Hydrometallurgie betragen 2,68 kg CO₂-eq/kWh, was 47,61 TP4T niedriger ist als bei der Pyrometallurgie. 
2. Bei der Hydrometallurgie werden zehn wichtige chemische Behandlungsschritte unter Niedrigtemperaturbedingungen durchgeführt, ohne dass dabei ein hoher Energieverbrauch oder hohe Kohlenstoffemissionen auftreten.
3. Allerdings entstehen bei diesem Prozess erhebliche Mengen giftiger Gase und Abfalllösungen. 

Direktes physisches Recycling

• Der Kohlenstoffausstoß der direkten physikalischen Recyclingmethode beträgt 3,65 kg CO₂-Äq/kWh.
• Da es sich bei den Produkten des direkten physischen Recyclings um Materialien handelt, die direkt in der Batterieproduktion verwendet werden können, werden die komplizierten Schritte der Materialreproduktion und die Sekundärverschmutzung reduziert. 
• Das im Reparaturprozess verwendete nickelreiche Material, wie Ni_0.83Mn_0.09Co_0.08(OH)₂, Ni(OH)₂oder Lithiumverbindungen wie LiOH–Li₂ALSO₄ verwendet in der Wärmebehandlungsprozessund der Energieverbrauch sind die Hauptquellen der Kohlenstoffemissionen.

Vergleich der Treibhausgas-Emissionsreduzierung mit nicht zyklischen Batterien

Obwohl der Recyclingprozess von Lithium-Ionen-Batterien CO2-Emissionen erzeugt, können die recycelten Materialien direkt zur Herstellung von Batterien verwendet werden. Dadurch werden die CO2-Emissionen vermieden, die durch den Abbau und die Raffination von Rohstoffen entstehen. Daher schätzen Ingenieure die Reduzierung der Treibhausgasemissionen durch Lithium-Ionen-Batterien im Vergleich zu Neubatterien ab.

Treibhausgasemissionen bei der Wiederaufbereitung von Batterien mit recycelten Materialien durch

• Pyrometallurgie ist 86,86 kg CO₂-eq/kWh, was 4,81 TP4T niedriger ist als bei Batterien, die aus Rohstoffen hergestellt werden. 
• Hydrometallurgisch sind 60,77 kg CO₂-eq/kWh, was 33,471 TP4T niedriger ist als bei Batterien, die aus Rohstoffen hergestellt werden. 
• Direktes physisches Recycling beträgt 43,92 kg CO₂-eq/kWh, was 51,81 TP4T weniger ist als bei der Verwendung von Rohstoffen. Das physikalische Recyclingverfahren ist jedoch technologisch noch nicht ausgereift und befindet sich noch im Stadium kleinerer Experimente. Die Entwicklung effizienter und ausgereifter physikalischer Recyclingverfahren für großtechnische Anwendungen ist entscheidend für die Reduzierung der CO2-Emissionen.