Akkus von Elektroautos sind Meisterwerke der Ingenieurskunst. Sie liefern Elektroautos genug Energie für Hunderte von Kilometern, immer wieder, und das komplett emissionsfrei. Doch am Ende ihrer Lebensdauer werden Batterien zum Umweltproblem, denn ein effizientes Recycling gibt es noch nicht.

Die Kehrseite der Elektromobilität

Elektroautos werden immer beliebter, doch das bedeutet auch, dass in den nächsten Jahrzehnten Millionen von Akkus das Ende ihrer Nutzungsdauer erreichen. Das war kein Problem, solange Stromer noch selten waren. Doch mittlerweile haben mehrere große Autohersteller angekündigt, Verbrennungsmotoren in absehbarer Zeit abzuschaffen. Länder wie Großbritannien wollen Neuzulassungen von Verbrennern ab 2040 verbieten. Das Problem dabei ist, dass heutige Elektroauto-Batterien nicht fürs Recycling ausgelegt sind.

Batterien sind Sondermüll. Landen sie auf einer Mülldeponie, können sie Giftstoffe abgeben, zum Beispiel Schwermetalle. Ganz zu schweigen von der gigantischen Ressourcenverschwendung, denn viele Batterierohstoffe sind rar und müssten dringend wiederverwendet werden. In manchen Ländern gibt es deshalb inzwischen Vorgaben, dass ein bestimmter Teil der Altbatterien recycelt werden muss. Auch die EU bereitet eine Neufassung der EU-Batterierichtlinie vor. Denn effizientes Recycling ist nicht nur eine Kostenfrage, sondern trägt auch zur wirtschaftlichen und nationalen Sicherheit bei. Aktuell werden wichtige Batteriemetalle nur in einem oder in wenigen Ländern abgebaut. Deshalb fließt inzwischen viel Geld in die Forschung an neuen Recyclingmethoden.

Warum Batterie-Recycling heute so aufwendig ist

Das größte Problem beim Batterie-Recycling ist, dass sich Batterien in ihrer Zusammensetzung und im Aufbau stark unterscheiden. Sie werden oft mit Klebstoffen zusammengehalten und können nur schwer auseinandergenommen werden. Das macht es schwierig, effiziente Recyclingsysteme zu entwickeln. Für Hersteller ist es deshalb oft billiger, neue Batteriemetalle zu kaufen, statt solche, die aus Altbatterien stammen.

Batterien von Elektroautos bestehen in der Regel aus einem Paket mit mehreren Modulen, die wiederum jeweils zahlreiche Batteriezellen enthalten. In der Zelle bewegen sich Lithium-Atome durch einen Elektrolyten zwischen einer Graphitanode und einer Kathodenschicht aus einem Metalloxid hin und her. Bei Kathoden gibt es die Haupttypen Nickel-Kobalt-Aluminium, Eisen-Phosphat und Nickel-Mangan-Kobalt. Das heutige Recycling zielt hauptsächlich auf die Metalle Kobalt und Nickel ab, die besonders teuer sind. Dabei gibt es im Wesentlichen zwei Verfahren: die Pyrometallurgie und die Hydrometallurgie.

Verfahren zum Batterie-Recycling

Bei der Pyrometallurgie wird die Zelle zunächst mechanisch zerkleinert und anschließend verbrannt. Übrig bleibt eine verkohlte Masse aus Kunststoff, Metallen und Klebstoffen. Anschließend nutzen Recyclingunternehmen verschiedene Methoden, um die Metalle zu extrahieren, etwa weiteres Verbrennen. Bei der Hydrometallurgie dagegen wird das Batteriematerial in Säure getaucht, wodurch eine metallhaltige Flüssigkeit entsteht, aus der die Metalle gewonnen werden. Manchmal werden die beiden Methoden auch kombiniert.

Beide Methoden haben ihre Vor- und Nachteile. Bei der Pyrometallurgie zum Beispiel müssen Recyclingunternehmen weder die Bauart noch die Zusammensetzung der Batterie kennen, und auch nicht, ob sie vollständig entladen wurde. Dafür ist das Verfahren sehr energieintensiv. Bei der Hydrometallurgie lassen sich Materialien extrahieren, die nicht einfach durch Verbrennen gewonnen werden können. Doch dabei werden giftige und gesundheitsschädliche Chemikalien freigesetzt. Außerdem ist es teilweise schwierig, die gewünschten Stoffe aus der chemischen Suppe zu extrahieren. Ein Ansatz sind spezielle Verbindungen, die bestimmte Batteriemetalle auflösen und andere in fester Form belassen. Dann sind sie leichter voneinander zu trennen.

Beide Verfahren haben gemeinsam, dass sie viel Müll produzieren und Treibhausgase erzeugen. Zudem sind sie nicht ganz ungefährlich. Wenn man etwa zu tief oder an der falschen Stelle in eine Tesla-Zelle schneidet, kann ein Kurzschluss auftreten, die Batterie kann in Brand geraten und giftige Dämpfe freisetzen.

Direktrecycling als beste Lösung

Statt dieser schwierigen und aufwendigen Verfahren wäre das Direktrecycling die ideale Lösung, ein Recycling, bei dem die Kathode intakt bleibt. Das wäre auch für Batteriehersteller attraktiv, weil recycelte Kathoden einfach zu verarbeiten sind. Beim Direktrecycling würde der Elektrolyt abgesaugt, die Zelle zerkleinert und Bindemittel mithilfe von Hitze oder Lösungsmitteln entfernt. Mittels Flotation würden dann Anoden- und Kathodenmaterial separiert. Danach ähnelt das Kathodenmaterial Babypuder. US-Forscher haben errechnet, dass diese Methode unter den richtigen Bedingungen in Zukunft machbar und rentabel wäre.

Bis dahin sind jedoch noch einige Probleme zu lösen. Dazu gehört die Kennzeichnung der Batterien durch die Hersteller, damit Recyclingunternehmen wissen, um welche Art Zelle es sich handelt und ob sich das Recycling lohnt. Denn der Batteriemarkt ändert sich schnell und heute hergestellte Kathoden will morgen vielleicht keiner mehr. Eine weitere Herausforderung ist das effiziente Auseinandernehmen von Elektroauto-Batterien: Beim Batteriemodul aus dem Nissan Leaf beispielsweise kann das zwei Stunden dauern. Oder die zylindrischen Zellen von Tesla: Sie werden von einem nahezu unzerstörbaren Polyurethan-Beton zusammengehalten.

Recycling schon von Anfang an mitdenken

Am besten sollten Batterien deshalb von Anfang an so konstruiert sein, dass sie bestmöglich recycelt werden können. BYD hat letztes Jahr die Blade Battery auf den Markt gebracht, eine Lithium-Ferrophosphat-Batterie. Sie kommt ohne Module aus, stattdessen liegen im Inneren direkt flache Zellen. Diese lassen sich einfach von Hand entnehmen, ohne umständliches Entfernen von Drähten und Klebern. Die Batterie ist eine Reaktion auf Chinas geänderte Vorschriften, das die Batteriehersteller für das Recycling von Elektroauto-Batterien verantwortlich macht. Heute recycelt China bereits mehr Lithium-Ionen-Batterien als der Rest der Welt zusammen. Dabei kommen allerdings ebenfalls größtenteils pyro- und hydrometallurgische Methoden zum Einsatz.

Recycling-Forscher weisen darauf hin, dass effektives Recycling nicht nur weitere technologische Fortschritte erfordert. Auch die hohen Transportkosten von Batterien als brennbare Gegenstände über Landesgrenzen hinweg könnten ein Hindernis sein. Wichtig ist deshalb auch, Recycling-Zentren an den richtigen Stellen zu bauen.

Das sieht die neue Batterieverordnung der EU vor

Es gibt also noch viele offene Fragen, doch zumindest kommt Bewegung in die Sache. In Deutschland ist Anfang 2021 das novellierte Batteriegesetz mit verschärften Registrierungs- und Rücknahmepflichten in Kraft getreten. Die EU-Kommission hat außerdem einen Vorschlag für eine neue, EU-weite Batterieverordnung vorgestellt. Sie sieht ökologische Mindestanforderungen insbesondere für Lithium-Ionen-Batterien vor und nimmt den gesamten Lebenszyklus einer Batterie in den Blick. Industrie- und Traktionsbatterien sollen bis 2025 vollständig gesammelt werden, sowie 65 Prozent der Altbatterien aus Haushalten.

Der Entwurf enthält außerdem spezielle Recyclingziele für Lithium, Kobalt, Nickel und Kupfer. Außerdem ist vorgesehen, dass für Industriebatterien und Traktionsbatterien der Gehalt an recyceltem Kobalt, Blei, Lithium und Nickel angegeben wird, wobei die EU ab 2030 dabei bestimmte Mindestmengen vorschreibt. Über einen digitalen Produktpass sollen Nutzer sehen können, wieviel Treibhausgasemissionen bei der Produktion der Batterie angefallen sind. Die Verordnung würde eine Regelungslücke schließen und die seit 2006 geltende EU-Batterierichtlinie ersetzen.

Quellen / Weiterlesen

Millions of electric cars are coming. What happens to all the dead batteries? | Science
EU-Batterieverordnung – der Goldstandard für das Recycling? | recycling news
Bildquelle: flickrJohn Seb Barber

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