Was passiert, wenn Millionen von Elektroautobatterien leer sind?

Apr 27, 2023

Der Markt für Elektroautos boomt im Zuge der konzertierten globalen Bemühungen, die Emissionen auf dem Weg zu einer Netto-Null-Zukunft zu senken.

Die Verkäufe von Elektrofahrzeugen stiegen im vergangenen Jahr um 60 Prozent und übertrafen erstmals die 10-Millionen-Marke, wie Zahlen des Weltwirtschaftsforums zeigen.

Während im Jahr 2017 nur jeder 70. verkaufte Neuwagen Elektrofahrzeuge ausmachte, waren es im Jahr 2022 bereits jeder siebte verkaufte Pkw.

Der Aufstieg des Elektrofahrzeugs zeigt keine Anzeichen einer Verlangsamung, aber könnte sich seine Popularität als problematisch für die Umwelt erweisen?

Eine durch die Umstellung auf Elektrofahrzeuge entstehende Herausforderung besteht darin, mit den verbrauchten Batterien umzugehen, die Elektrofahrzeuge antreiben. Schätzungen gehen davon aus, dass allein in den 2020er Jahren Millionen Tonnen Batterien das Ende ihrer Lebensdauer erreichen werden.

Wenn die etwa 10-jährige Lebensdauer einer Batterie abgelaufen ist, wird sie idealerweise zur stationären Energiespeicherung, beispielsweise in Privathaushalten, oder als Backup zur Verbesserung der Stabilität von Stromnetzen verwendet, bevor sie schließlich recycelt wird.

Batterien auf Mülldeponien zu entsorgen wäre verschwenderisch und umweltschädlich, während der Abbau einiger Materialien mit Umwelt- und Menschenrechtsbedenken verbunden ist, weshalb Recycling zur Wiederverwendung besonders wichtig ist.

Im Dezember verabschiedete die EU in einem Schritt, der anderswo möglicherweise wiederholt wird, ein Gesetz, das Autohersteller dazu verpflichtet, verbrauchte Batterien zu recyceln und einen Mindestanteil der Materialien zurückzugewinnen.

Viele universitäre Forschungsgruppen und Start-up-Unternehmen entwickeln bessere Möglichkeiten, diese wertvollen Substanzen zu extrahieren, um eine Wiederverwendung in neuen Batterien zu ermöglichen.

Dr. Sebastian Leaper, Geschäftsführer von Watercycle Technologies, Mitte, und Dr. Ahmed Abdelkarim, dessen Chief Technology Officer, rechts, mit Mitgliedern des Laborteams. Foto: Watercycle Technologies

Darunter ist Watercycle Technologies, das 2020 gegründet und aus der University of Manchester im Vereinigten Königreich hervorgegangen ist.

Ohne ein effektives Recycling der Materialien wäre der Sektor laut Dr. Sebastian Leaper, seinem Vorstandsvorsitzenden, „einfach der Verfügbarkeit natürlicher Ressourcen verpflichtet“.

„Was Nachhaltigkeit, was Netto-Null darstellt, ist in gewisser Weise die Befreiung von den Fesseln der Ressourcenknappheit, auf der die Wirtschaft mit fossilen Brennstoffen basiert“, sagt Dr. Leaper, der aus dem Vereinigten Königreich stammt.

„Um nachhaltig zu sein, braucht es eine Kreislaufwirtschaft, in der alle diese Metalle recycelt werden.“

Im Vergleich zu vielen anderen Materialien eignen sich Metalle ideal für das Recycling, da sie theoretisch unendlich oft recycelt werden können. Papier hingegen kann nur etwa sieben Mal recycelt werden, da die Fasern kürzer und schwächer werden.

Doch die Gewinnung und Reinigung der Metalle in Elektrofahrzeugbatterien ist nicht einfach, da die Zellen oft geschreddert werden müssen, wodurch eine Substanz namens schwarze Masse entsteht, eine Mischung aus Elementen wie Graphit, Nickel, Mangan, Kobalt und Lithium.

Häufig wird schwarze Masse vor allem zur Gewinnung der beiden hochwertigen Metalle Nickel und Kobalt verwendet.

Lithium ist für die Funktion von Lithium-Ionen-Batterien von zentraler Bedeutung, und da die Nachfrage nach Batterien gestiegen ist, ist auch der Preis gestiegen, der sich im Jahr 2021 vervierfacht hat. Dementsprechend hat sich laut Dr. Leaper auch die Recyclingtechnologie stärker in Richtung Lithiumgewinnung verlagert.

Watercycle Technologies geht noch einen Schritt weiter und gewinnt nicht nur Lithiumcarbonat in kommerzieller Qualität aus Altbatterien, sondern auch reinen Graphit, der ebenfalls wiederverwendet werden kann.

Graphit, eine Form von Kohlenstoff, hat einen viel geringeren Wert als Lithium, wird jedoch in viel größeren Mengen verwendet und ist der größte Einzelbestandteil einiger Elektrofahrzeugbatterien, sodass der Wert der beiden Substanzen pro Batterie nahezu gleich ist.

Das Unternehmen hat seine Technologie in Zusammenarbeit mit einer Firma namens RSBruce in Sheffield, östlich von Manchester, entwickelt.

Es gibt verschiedene Ansätze, die Stoffe aus verbrauchten Elektrofahrzeugbatterien zu extrahieren. Bei der sogenannten Pyrometallurgie kommen die Methoden der Pyrometallurgie zum Einsatz, bei der Materialien auf extreme Temperaturen erhitzt werden, sodass sie aufgrund ihrer unterschiedlichen Schmelzpunkte getrennt werden können.

Passend zum Namen verfolgt Watercycle Technologies jedoch einen hydrometallurgischen Ansatz, bei dem Wasser und verschiedene Reagenzien die Komponenten chemisch trennen. Im Gegensatz zu einigen anderen Methoden soll die Technologie kein kontaminiertes Abwasser erzeugen.

Das Unternehmen gibt an, dass seine Methode mit Batterien verwendet werden kann, die auf verschiedenen Arten von Chemikalien basieren. Bei einigen handelt es sich um Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid-Batterien, abgekürzt NMC. Ein weiterer wichtiger Batterietyp ist Lithium-Eisenphosphat oder LFP (das F kommt vom chemischen Symbol für Fe des Eisens), die eine geringere Leistungsdichte haben, aber billiger sind.

„NMC ist hinsichtlich der Leistung immer noch überlegen, aber LFP wächst schnell, insbesondere in China. Sie haben eine etwas geringere Kilometerleistung in Ihrem Auto, aber sie halten länger und sind billiger in der Produktion“, sagt Dr. Leaper.

Watercycle Technologies gibt an, dass seine Technologie auf eine Vielzahl von Batterietypen anwendbar ist.

„Mischungen ermöglichen es Recyclern, Batterien an verschiedenen Orten zu sammeln und müssen sich nicht zu viele Gedanken über die vorgelagerte Trennung machen. Wir würden eine ähnliche Technik für die Behandlung dieser verschiedenen Batterien verwenden“, sagt Dr. Leaper.

Durch Recyclingverfahren für Blei-Säure-Batterien, wie sie typischerweise in Benzin- oder Dieselfahrzeugen zum Einsatz kommen, können rund 98 Prozent der Materialien zurückgewonnen werden. Bei Elektrofahrzeugbatterien liegt die Recyclingquote für Lithium bei etwa 70 Prozent, sodass möglicherweise erhebliche Verbesserungen möglich sind.

„Wir gehen davon aus, dass die Rückgewinnungsrate von Lithium weit über 70 Prozent liegen wird“, sagt Dr. Ahmed Abdelkarim, Chief Technology Officer von Watercycle Technologies, der aus Ägypten stammt.

Laut Prof. Karl Ryder von der Universität Leicester im Vereinigten Königreich gibt es einen zunehmenden Trend, Autobatterien für das Recycling zu konzipieren. Er und seine Kollegen arbeiten daran, die Gewinnung der Materialien zu erleichtern.

Einige Methoden, sagt er, beinhalten das Zerlegen der Zellen, anstatt sie zu zerkleinern, um schwarze Masse zu erzeugen.

„Es ist technologisch eleganter und auf lange Sicht wirtschaftlich nachhaltiger, zu versuchen, die wertvollen Materialien an der Quelle zu trennen, anstatt sie zu zerkleinern“, sagt er.

„Die clevere Art und Weise, so zu konzipieren, dass Sie über einen Demontageprozess verfügen, der es Ihnen ermöglicht, Komponentenmaterialien zurückzugewinnen.“

Dabei kann es sich beispielsweise um die Herstellung von Klebstoffen handeln, die eine einfache Demontage ermöglichen. Solche Überlegungen spiegeln einen breiteren, durch die Gesetzgebung vorangetriebenen Trend in der Automobilindustrie wider, Fahrzeuge insgesamt recycelbarer zu machen.

Die Optimierung von Recyclingprozessen kann dadurch erschwert werden, dass die Batterien von Autohersteller zu Autohersteller unterschiedlich sind.

„Jeder Hersteller hat eine andere Form, was es schwierig macht, einen generischen Prozess zu entwerfen“, sagt er. „[Außerdem] wurden viele Materialien entwickelt und optimiert, ohne darüber nachzudenken, wie sie wiedergewonnen werden.“

In einer Zeit, in der die Zahl der verbrauchten Elektrofahrzeugbatterien voraussichtlich zunehmen wird, möchte Watercycle Technologies seine Technologie kommerzialisieren, möglicherweise durch eine Partnerschaft mit einem großen Fahrzeughersteller, die dazu führen könnte, dass das Unternehmen eine Batterierecyclinganlage errichtet.

Laut Dr. Leaper hat sich gezeigt, dass der Prozess des Unternehmens funktioniert, wenn Kilogramm Material pro Tag verarbeitet werden, er muss jedoch noch intensiviert werden.

„Der Prozess ist grundsätzlich skalierbar … aber wir müssen in die Pilotphase gelangen, um dies über einen langen Zeitraum im Tonnen-pro-Tag-Maßstab durchzuführen, um dann die Technologie zu validieren und die produzierten Materialien zu testen – die Qualität der.“ Graphit und Lithium usw.“, sagt er.

„Wenn diese Version kommerziell realisierbar ist, könnte es nur wenige Monate dauern, bis von dort aus ein System im kommerziellen Maßstab entsteht.“