Recycling von Lithiumbatterien und Treibhausgasemissionen

Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) werden heute in Mobiltelefonen, Laptops und Elektrofahrzeugen eingesetzt, da sie im Vergleich zu anderen elektrischen Energiespeichersystemen eine hohe Energie pro Masseneinheit liefern. Sie zeichnen sich außerdem durch ein hohes Leistungsgewicht, eine hohe Energieeffizienz, eine hohe Temperaturbeständigkeit und eine geringe Selbstentladung aus. Die meisten der heutigen reinen Elektrofahrzeuge und Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEV) verwenden Lithium-Ionen-Batterien. Die genaue Chemie dieser Batterien unterscheidet sich oft von denen, die für Unterhaltungselektronik verwendet werden. Die aktuellen Herausforderungen für die Branche bestehen darin, ihre relativ hohen Kosten (aufgrund des begrenzten Angebots) zu senken, ihre Lebensdauer zu verlängern und Sicherheitsbedenken im Hinblick auf Überhitzung, die zu Explosionen führen kann, auszuräumen. Daher werden neue Lösungen für das Recycling und die Wiederverwendung der in LIBs verwendeten Materialien benötigt. Die meisten Komponenten von LIBs können recycelt werden, aber die Kosten für die Materialrückgewinnung bleiben eine Herausforderung für die Industrie. Daher werden neue Lösungen benötigt. 

LIB-Anwendungen werden oft als "emissionsfrei" bezeichnet. Dabei werden jedoch die in der Beschaffungs- und Produktionsphase entstehenden Emissionen der Lieferkette außer Acht gelassen. LIBs sind einer der Hauptverantwortlichen für die Emission von Treibhausgasen (THG) bei der Herstellung von Elektrofahrzeugen. In diesem Fall wird empfohlen, LIBs zu recyceln, um den Energieverbrauch zu senken, die Treibhausgasemissionen zu verringern und erhebliche Abfallmengen einzusparen. Darüber hinaus hat die zunehmende Produktion von LIBs im Rahmen der sauberen Energietechnologien zu einer starken Nachfrage nach Mineralien wie Lithium (Li), Kobalt (Co) und Mangan (Mn) geführt. Die verbrauchten LIBs können als sekundäre Quelle für diese Mineralien betrachtet werden. Die Suche nach einer umweltverträglichen Methode zur Rückgewinnung dieser Mineralien aus Abfällen ist von entscheidender Bedeutung. Die zunehmende Beliebtheit von Elektrofahrzeugen hat zu einem sprunghaften Anstieg der Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien geführt, die zum Antrieb dieser Fahrzeuge verwendet werden. In den USA wird erwartet, dass der Anteil der E-Fahrzeuge an allen verkauften Autos bis 2030 von 5% auf 25% steigen wird. Mit der zunehmenden Zahl von Elektrofahrzeugen steigt auch der Bedarf an einem effizienten und effektiven Recycling der 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. 

Kernunterscheidung: Wiederaufbereitung vs. Recycling

Es ist von entscheidender Bedeutung, zwischen diesen beiden End-of-Life-Pfaden zu unterscheiden, da sie in unterschiedlichen Phasen des Lebenszyklus der Batterie zum Tragen kommen.

Wiederaufbereitung (Refurbishing & Repurposing): Dies geschieht auf der Ebene des Akkus oder des Moduls. Anstatt die Batterie zu zerstören, um Rohstoffe zu gewinnen, wird der Batteriesatz zerlegt, und fehlerhafte Zellen oder Module werden ersetzt. Die Batterie wird neu ausbalanciert und die Steuerelektronik wird aktualisiert. Das Ergebnis ist ein funktionsfähiger Batteriesatz, der für ein "zweites Leben" bereit ist (häufig in der stationären Energiespeicherung), wodurch die Notwendigkeit des Materialrecyclings aufgeschoben wird.

Recycling: Dies geschieht auf der Materialebene, wenn eine Batterie ihr absolutes Lebensende erreicht hat. Das Ziel ist die Gewinnung von Rohstoffen (Extraktion) oder die Wiederherstellung aktiver Materialien (direktes Recycling) zur Herstellung neuer Batteriezellen.

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: Die Batterie wird zerkleinert und bei hohen Temperaturen (>1000°C) eingeschmolzen. Dabei werden Metalllegierungen (Nickel, Kobalt) zurückgewonnen, aber Kunststoffe und Graphit verbrannt.

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: Die Batterie wird in "schwarze Masse" zerkleinert und in Säurelösungen aufgelöst, um die Metalle zu trennen. Dabei werden bestimmte Rohstoffe wie Nickel, Kobalt und Lithiumkarbonat zurückgewonnen.

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 physikalisches Recycling (Injektionsverfahren): Eine neue Technologie, die sich von der traditionellen Extraktion unterscheidet. Anstatt das Kathodenmaterial bis auf die Atome zu zerlegen, bleibt die Kristallstruktur erhalten. Frisches Lithium wird "injiziert" (Relithiation) oder die Oberfläche wird geglüht, um die elektrochemische Leistung wiederherzustellen. Kathodenpulver in "Batteriequalität", das sofort wieder in eine neue Batterie eingesetzt werden kann, ohne dass die Kristallstruktur neu synthetisiert werden muss.

• 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.