Recycling von Lithiumbatterien und Treibhausgasemissionen

Lithium-ion batteries (LIBs) are now used in cell phones, laptops, and electric vehicles (EVs) because of their high energy per unit mass relative to other electrical energy storage systems. They also have a high power-to-weight ratio, energy efficiency, high-temperature performance, and low self-discharge. Most of today’s all-electric vehicles and plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs) use lithium-ion batteries. The exact chemistry of these batteries often varies from those used for consumer electronics. Current challenges facing this industry revolve around reducing their relatively high cost (due to limited supply), extending their lifetime, and addressing safety concerns about overheating leading to explosions. Hence new solutions are needed for recycling and reuse of materials used in LIBs. Most components of LIBs can be recycled, but the cost of material recovery remains a challenge for the industry. Therefore, new solutions are needed. 

LIB applications are often labeled as “zero emissions.” However, this ignores the supply chain emissions generated in the procurement and production stages. LIBs are one of the main contributors to emitting greenhouse gases (GHG) during EV manufacturing. In this case, recycling LIBs is recommended to reduce energy consumption, mitigate GHG emissions, and result in considerable waste savings. Additionally, the accelerating production of LIBs in the line of clean-energy technologies has led to a strong demand for minerals such as lithium (Li), cobalt (Co), and manganese (Mn). The spent LIBs could be considered the secondary source of these minerals. Finding an environmentally sustainable way of recovering these minerals from waste is critical. The increasing popularity of EVs has led to a surge in demand for lithium-ion batteries used to power these vehicles. In the US, EVs are expected to increase from 5% to 25% of all cars sold by 2030. As the number of EVs on the road continues to grow, so does the need for efficient and effective recycling of their batteries. 

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. 

Core Distinction: Remanufacturing vs. Recycling

It is critical to distinguish between these two end-of-life pathways, as they intervene at different stages of the battery’s lifecycle.

Remanufacturing (Refurbishing & Repurposing): This occurs at the pack or module level. Instead of destroying the battery to harvest raw materials, the battery pack is disassembled, and faulty cells or modules are replaced. The battery is rebalanced and control electronics are updated. The result is a functioning battery pack ready for a “second life” (often in stationary energy storage), deferring the need for material recycling.

Recycling: This occurs at the material level when a battery has reached its absolute end of life. The goal is to extract raw materials (extraction) or restore active materials (direct recycling) to manufacture brand new battery cells.

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.

Pyrometallurgical recycling process:  The battery is shredded and smelted at high temperatures (>1000°C). This recovers metal alloys (Nickel, Cobalt) but burns off plastics and graphite.

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. 

Hydrometallurgy recycling process: The battery is shredded into “black mass” and dissolved in acid solutions to separate metals. This recovers specific raw commodities like Nickel, Cobalt, and Lithium Carbonate.

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. 

Direct physical recycling (injection method): An emerging technology distinct from traditional extraction. Instead of breaking the cathode material all the way down to atoms, the crystal structure is preserved. Fresh lithium is “injected” (relithiation) or the surface is annealed to restore electrochemical performance. “Battery-grade” cathode powder that is ready to go back into a new battery immediately, bypassing the need to re-synthesize the crystal structure.

• 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.