Skill and Scale up: Materialien, Wertschöpfung und Batterierecycling

Materialströme in der Produktion von Lithium-Ionen-Batterien

In den drei Schritten der Batteriezellproduktion – Elektrodenfertigung, Assemblierung und Formierung – werden die Aktiv- und Passivmaterialien schrittweise durch unterschiedliche mechanische, physikalische und chemische Verfahren zu einer funktionierenden Zelle zusammengefügt. Für jedes Zelldesign variiert die Zusammensetzung und der Produktionsprozess. Die folgende Tabelle gibt deshalb exemplarisch eine kurze Übersicht über die Materialflüsse in der Produktion einer Lithium-Ionen-Pouchzelle:

Warum ist Batterierecycling für die europäische Batterieproduktion wichtig?

Europa arbeitet am Aufbau einer nachhaltigen lokalen Versorgungskette, in der das Recycling von Batteriematerialien eine wesentliche Rolle spielen wird. Recycling und die Wiederverwendung der rückgewonnenen Materialien in einem neuen Lebenszyklus sind für den Aufbau eines unabhängigen europäischen Batteriemarktes essenziell. 

Viele Batterierohstoffe kommen nur selten in der Erdkruste vor – Gerade in Deutschland und der EU sind die Rohstoffvorkommen insgesamt gering, wodurch eine hohe Abhängigkeit von anderen Ländern besteht. Außerdem fügt die Rohstoffgewinnung, dabei sowohl der Bergbau als auch die Raffinerie, der Umwelt langfristige Schäden zu. Lange Transportwege erhöhen den CO2-Fußabdruck zusätzlich. Neben den umweltrelevanten Gründen, die die Wichtigkeit von Recycling unterstreichen, birgt die steigende Nachfrage nach Batterien einfach auch einen steigenden Rohstoffbedarf. 

Es wird deutlich: Für eine langfristige ressourcenschonende und umweltfreundlichere Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien oder ihren Alternativen in Europa ist Recycling ein unerlässlicher Schritt. Ein Blick auf Prognosen zeigt, dass die Recyclingkapazitäten für Batteriezellen sich von 60 GWheq pro Jahr auf 150 GWheq pro Jahr bis 2030 mehr als verdoppeln werden, wohingegen sich die Produktionskapazitäten fast verzwanzigfachen werden. Ein Schlüssel, um ein gutes Recyclingprogramm für Lithium-Ionen-Batterien zu entwickeln, wird die neue EU-Batterieverordnung darstellen. Dieser neue Ansatz wird Nachhaltigkeitsanforderungen festhalten, wie z.B. prozentuale Recyclingeffizienz verwendeter Materialien – bis 2030 müssen 70 Prozent dieser wiederaufzubereiten sein.  

Wie kann eine Batteriezelle recycelt werden?

 »Re-X« bezeichnet Verfahrenswege, die am Ende des Lebenszyklus einer Batteriezelle angewandt werden, um diese einem Subkreislauf zuzuführen. Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Ansätze für das Recycling von LIBs (Lithium-Ionen-Batterien) auf dem Markt. Die Kombination der verschiedenen Prozessschritte wie der Deaktivierung, Demontage, mechanischen Behandlung, Pyrolyse, Pyrometallurige und Hydrometallurgie ermöglicht viele verschiedene Prozessrouten, welche die Rückgewinnung unterschiedlicher Rohstoffe ermöglichen. 

Bei den Recyclingverfahren sind jedoch noch viele Herausforderungen zu bewältigen, um sehr hohe Rückgewinnungsraten und Materialqualitäten zu erreichen. Eine potentielle, bereits jetzt vorhandene Quelle für das Recycling stellen Ausschüsse dar, welche schon während der Produktion der Batteriezellen anfallen.  Diese Produktionsabfälle machen derzeit den größten Anteil an verfügbarem Material für das Recyclingaus und können somit, als relevante Materialquelle betrachtet werden. 

Die Forschung an neuen Zellmaterialien verfolgt also zwei wesentliche Ziele: Die Senkung der Batteriekosten sowie einen Wandel hin zu Rohstoffen, die häufiger vorkommen oder sekundär gewonnen werden.

Quellenangaben

[1] Die Materialien der Batteriekomponenten, die wesentlich über ihre Leistungskennzahlen entscheiden, machen einen Großteil der Kosten aus. In Anbetracht des steigenden Bedarfs ist es deshalb langfristig wichtig, nach alternativen Technologien, die andere Materialien verwenden (bspw. Kobalt-freie Kathoden oder natriumbasierte Zellchemien), und Recyclingmöglichkeiten zu forschen. Der siebte Blogartikel unserer Informationskampagne «Skill and Scale-up» erklärt die Grundlagen rund um Batterie(roh)materialien und -Recycling. Quelle: https://de.statista.com/statistik/daten/studie/534429/umfrage/weltweite-preise-fuer-lithium-ionen-akkus/ 

[2] Alle drei Jahre veröffentlicht die EU eine Liste kritischer Rohstoffe, die als Informationsbasis für Industrie und Entwicklung dient. Hier werden Rohstoffe aufgeführt, die für moderne Technik und zum Aufbau regenerativer Energiequellen und -speicher notwendig sind. Diese soll dabei helfen die Wettbewerbsfähigkeit von Europa zu stärken und Recycling entlang der Liefer- und Wertschöpfungsketten voranzutreiben. https://single-market-economy.ec.europa.eu/sectors/raw-materials/areas-specific-interest/critical-raw-materials_en

Quellenangaben

[1] https://de.statista.com/statistik/daten/studie/1330168/umfrage/prognostizierte-nachfrage-nach-batterien-nach-anwendung/

[2] https://www.isi.fraunhofer.de/de/presse/2022/presseinfo-17-Batteriezellfertigung-Verzehnfachung-2030.html