Lithium-Ionen-Batterien: Anforderungen an das Recyclingverfahren der Zukunft
© Lehrstuhl fĂĽr Abfallverwertungstechnik und Abfallwirtschaft der Montanuniversität Leoben (11/2020)
Der Einsatz von wertvollen und teilweise kritischen Rohstoffen wie Kobalt, Nickel, Mangan und Lithium in Kathodenmaterialien sowie die prognostizierten Marktentwicklungen machen das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien zu einem abfallwirtschaftlich relevanten Thema. Dieser Beitrag beleuchtet die Entwicklung und Vielfalt dieser Kathodenmaterialien und leitet daraus Anforderungen an zukünftige Aufbereitungs- bzw. Recyclingverfahren ab. Die schnelle Weiterentwicklung der Zellchemismen hin zu nickelreichen Kathodenmaterialien stellt bestehende Verfahren vor wirtschaftliche Probleme und unterstreicht zusätzlich die Notwendigkeit eines flexiblen Prozesses, welcher mit einer variierenden chemischen Zusammensetzung des Abfallstromes zurechtkommen muss.

Untersuchungen zur mechanischen Entschichtung von Elektroden aus Lithium-Ionen-Altbatterien
© Lehrstuhl fĂĽr Abfallverwertungstechnik und Abfallwirtschaft der Montanuniversität Leoben (11/2020)
Der weltweite zunehmende Einsatz von LIB führt auch zu einer steigenden Menge von Produktions- und Konsumptionsrückständen, die unter Berücksichtigung der ökologischen und wirtschaftlichen Nachhaltigkeit entsorgt werden müssen. Idealerweise werden die Materialien aus den Neuschrotten oder Altbatterien in die Produktion neuer Batterien zurückgeführt. LIBs enthalten werthaltige Metalle, wie Aluminium, Eisen, Kupfer, Lithium, Kobalt, Nickel und Mangan. Diese Metalle, ausgenommen Eisen, bilden hauptsächlich die Stromleiterfolien und Beschichtungen der Elektroden. Aktuell werden Lithium-Ionen-Batterien industriell in Recyclingverfahren behandelt, die auf energie- und kostenintensiven pyrometallurgischen oder hydrometallurgischen Prozessen mit begrenzten Kapazitäten, niedrigen Recyclingraten und einer wirtschaftlichen Abhängigkeit von Kobalt und Nickel als Kathodenmaterialien basieren. Bei diesen Prozessen werden vornehmlich Kobalt, Nickel und Kupfer zurückgewonnen, wohingegen Lithium, Aluminium und Mangan in der Schlacke verbleiben und durch Verfüllung verwertet werden. In Zukunft wird angestrebt, die gesetzliche Recyclingeffizienz von 50 Masseprozent zu erhöhen, und speziell die Kathodenbeschichtungsmaterialien aus Produktionsrückständen direkt für neue Batterieanwendungen wiederzuverwenden (Werner et al. 2020).

Batterien aus der E-Mobilität in Second-Life-Anwendungen
© Lehrstuhl fĂĽr Abfallverwertungstechnik und Abfallwirtschaft der Montanuniversität Leoben (11/2020)
In der Abfallhierarchie Die gängigen Konzepte, bei denen preisgünstige Batterien technisch, aber auch wirt-schaftlich sinnvoll eigesetzt werden können. Diese Anwendungen konzentrieren sich alle primär auf den Bereich stationärer Speicher. Die genaueste, jedoch zeitlich aufwendigste Methode, ist ein Zyklentest. Hierbei wird die Batterie vollständig entladen und anschließen mit einer geringen Ladeleistung wieder vollständig geladen. Dabei wird der eingebrachte Strom gemessen.

Elektrolok mit 2000 kg Re-Use-Lithium-Ionen-Batterien – Realisierung, Erfahrungen, Weiterarbeit
© Lehrstuhl fĂĽr Abfallverwertungstechnik und Abfallwirtschaft der Montanuniversität Leoben (11/2018)
Für Streckenteile, die nicht mit Fahrleitungsketten überspannt sind, greifen die Österreichischen Bundesbahnen (ÖBB) gegenwärtig auf Fahrzeuge zurück, deren Antriebskonzepte auf dieselbetriebenen Verbrennungskraftmaschinen basieren. Betreiber von Diesel-Flotten sind allerdings auf der Suche nach Alternativen um wesentliche Kostenfaktoren wie Energiekosten und Wartungskosten klein zu halten und Abgasnormen zu erfüllen, die in Kürze wirksam werden.

Entwicklungen bei der Verwertung von AlMn-Batterien
© Lehrstuhl fĂĽr Abfallverwertungstechnik und Abfallwirtschaft der Montanuniversität Leoben (11/2018)
Alkali-Mangan-Zellen (AlMn-Zellen) sind die größte Einzelfraktion der in Verkehr gebrachten Gerätebatterien und stellen gemeinsam mit den Zink-Kohle-Batterien, die im gleichen Recyclingprozess aufbereitet werden, einen sehr relevanten Abfallstrom dar.

Re-Use-Prozess fĂĽr Hochenergie-Lithium-Ionen-Akkumulatoren unbekannten Zustands
© Lehrstuhl fĂĽr Abfallverwertungstechnik und Abfallwirtschaft der Montanuniversität Leoben (11/2016)
Lithium-Ionen-Akkus mit gespeicherten Energien von etwa 15 bis 30 kWh bilden die gegenwärtigen Standard-Energiequellen für Elektroautos und stellen zugleich einen wesentlichen Kostenfaktor des Fahrzeugpreises dar. Im Fahreinsatz sind deutlich über 1.000 äquivalente Volllast-Zyklen zu erwarten, bis sich der nutzbare Energieinhalt aufgrund der betrieblichen Degradation um etwa 20 % verringert hat, sodass diese Akkus aus der weiteren Nutzung im Fahrbetrieb ausgeschieden werden. Bereits früher können Spontandefekte einzelner Zellen einen gesamten Fahrakku für den weiteren Fahreinsatz unbrauchbar machen. In beiden Fällen steht industrielles Recycling an, welches hier in der energetisch besonders günstigen Form von weitgehendem Re-Use realisiert werden soll.

So viele verschwendete Ressourcen in den Batterien
© Lehrstuhl fĂĽr Abfallverwertungstechnik und Abfallwirtschaft der Montanuniversität Leoben (11/2016)
Es gibt viele verschiedene Batterietypen, wobei aktuell Bleiakkus und Alkali-Mangan-Batterien due häufigsten sind. In letzter Zeit werden immer mehr Lithium-Ionen Akkus auf den Markt gebracht, die auch neue Anwendungsgebiete (E-Mobilität, Rasenmäher, Staubsauger,…) erfassen. Es gibt somit steigende Mengen und auf Grund der vielen verschiedenen Arten auch eine Vielzahl an potentiellen Wertstoffen in den Batterien. Somit stellt sich die Frage welche potentiellen Mengen an Wertstoffen sich in den Batterieabfällen aktuell bzw. in Zukunft in Europa befinden, welche davon genutzt werden bzw. welche verloren gehen. Im Abschluss werden Maßnahmen im Bereich F&E und der Politik analysiert, die getroffen werden müssen, um mehr Wertstoffe der Verwertung zuführen zu können.

Untersuchung zur Entstehung brennbarer Gase beim Recycling von Li-Ionen Batterien
© Lehrstuhl fĂĽr Abfallverwertungstechnik und Abfallwirtschaft der Montanuniversität Leoben (11/2016)
Beim Einsatz und der Entsorgung von Lithium-Ionen-Akkumulatoren kann es durch KurzschlĂĽsse in den Zellen bzw. durch Ăśberhitzung zum Schmelzen des Polymerseparators und zur Zersetzung der Kathodenmaterialien kommen.

Re-Use von Antriebsbatterien aus Elektrofahrzeugen in Stationärspeichern – Chancen und Risiken
© Lehrstuhl fĂĽr Abfallverwertungstechnik und Abfallwirtschaft der Montanuniversität Leoben (11/2016)
Das Thema der Lithium-basierten Batterien wird immer wichtiger, sowohl im Kontext der Elektro-Mobilität als auch im Bereich der stationären Speicher. Der Hauptfokus liegt hier beim Produzenten meist auf der Anwendung im First-Life. Aber auch nach dem First-Life im Mobilitätssektor besitzen die Batterien meist noch ein hohes Potential für weniger anspruchsvolle Anwendungsbereiche in einem Second-Life. Auf diese Weise können hohe Kosten, CO2-Emissionen und Deponierung von Material im Falle der Entsorgung der Lithium-Ionen-Batterien vermieden bzw. zeitlich verschoben werden. Dies ist von Vorteil, da die Recyclingverfahren immer weiterentwickelt werden und zukünftig höhere Recycling-Quoten ermöglichen.

Ein zweites Leben fĂĽr den Akku
© Rhombos Verlag (2/2016)
Standards für Lithium-Ionen-Batterien in Elektrofahrrädern sind aus Gründen des Umweltschutzes unausweichlich

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