Den Vorsprung beim Recycling von Lithiumbatterien herausholen

Wenn der schicksalhafte Morgen kommt, an dem Ihr Auto nicht mehr mit einem schnellen Dreh des Schlüssels zum Leben erwacht, sondern vielmehr seinen Unmut über den traurigen Zustand der elektrischen Anlage Ihres Fahrzeugs aufstöhnt, ist Ihr Kurs klar: Sie brauchen eine neue Batterie. Egal, ob Sie es selbst tun oder – vergiss den Gedanken – die Arbeit jemand anderem überlassen, das Endergebnis ist dasselbe. Sie erhalten eine völlig neue Blei-Säure-Batterie, und die alte wird weggeschafft, zerkleinert und in einem nahezu perfekten geschlossenen Kreislaufsystem in eine neue Batterie umgewandelt.

Vergleichen Sie dies mit dem, was mit dem Akku Ihres Laptops passiert, wenn dieser schließlich den Geist aufgibt. Einige von uns öffnen die Packung, finden die vermutlich defekte Zelle und reparieren die Packung oder verwenden die guten Zellen für einen anderen Zweck. Aber die meisten leeren Lithium-Akkus werden mit den besten Absichten in den normalen Müll geworfen oder in blaue Recyclingtonnen geworfen, landen aber in der Regel trotzdem auf der Mülldeponie.

Warum der Unterschied zwischen Blei- und Lithiumbatterien? Was ist mit diesen beiden scheinbar ähnlichen Technologien, die dazu führen, dass bei einer Batterie 98 % ihres Materials recycelt werden können, während es bei der anderen billiger ist, sie einfach wegzuwerfen? Und welche Auswirkungen hat es in Zukunft, wenn Batteriepakete aus Elektrofahrzeugen in großen Mengen in den Abfallstrom gelangen?

Das Verständnis der Ungleichheit zwischen dem Recycling von Blei-Säure- und Lithium-Ionen-Batterien lässt sich auf zwei Hauptfaktoren zurückführen: Zeit und Chemie. Berücksichtigen Sie auf der Zeitseite der Gleichung, dass die große, klobige Batterie unter Ihrer Haube eine ziemlich alte Technologie ist. Blei-Säure-Batterien gibt es schon so lange wie Autos, und noch viel mehr. Damit haben sie in Bezug auf die Infrastruktur einen Vorsprung von über einem Jahrhundert gegenüber ihren auf Lithium basierenden Cousins. Wir verwenden diese Dinge schon seit jeher und haben ihr Lebenszyklusmanagement wirklich optimiert. Von der Wiege bis zur Bahre und wieder zurück profitieren Blei-Säure-Batterien von einem umfassenden und hochintegrierten Produktions- und Vertriebssystem, für dessen Entwicklung die Lithium-Ionen-Industrie einfach noch keine Zeit hatte. Die Blei-Säure-Infrastruktur geht so weit, dass oft genau dieselben LKWs eingesetzt werden, die die Batterien für die Rückfahrt zum Recycler an Einzelhändler liefern.

Durch den schnellen Umschlag von Autobatterien spielt auch die Zeit eine Rolle. Die durchschnittliche Lebensdauer einer Autobatterie beträgt mehr oder weniger vier Jahre, und da die durchschnittliche Lebensdauer eines Autos mittlerweile etwa elf Jahre beträgt, wird jedes Auto im Laufe seiner Lebensdauer wahrscheinlich drei oder mehr Batterien benötigen. Bei Elektrofahrzeugen und Hybridfahrzeugen ist der Batteriesatz so konzipiert, dass er nahezu die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs durchhält. Wenn es also nicht zu Unfällen kommt, die das Fahrzeug um ihn herum unbrauchbar machen, werden Lithium-Ionen-Akkus bei weitem nicht in den Recyclingstrom gelangen so oft wie Blei-Säure-Batterien. Dies wird durch die Anzahl der Lithium-Ionen-Akkus aus Verbraucherprodukten wie Laptops und Elektrowerkzeugen etwas zunichte gemacht; Diese gelangen viel schneller in den Abfallstrom als Lithium-Ionen-Batterien aus Elektro- und Hybridfahrzeugen. Diese Zahlen sind jedoch ein Rundungsfehler in der Gleichung im Vergleich zur Anzahl der täglich recycelten Blei-Säure-Batterien.

Was die Chemie betrifft: Je einfacher die Materialmischung in einem Objekt ist, desto einfacher ist es, es zu recyceln. Aluminiumdosen, die nur aus Aluminium und Farbe bestehen, lassen sich durch Zugabe von etwas Hitze unglaublich einfach zurückgewinnen. Ganz so einfach sind Blei-Säure-Batterien nicht, aber sie sind nah dran: nur Blei, Bleioxid und Schwefelsäure in einem Kunststoffgehäuse. Jedes Material in der Batterie hat einen einfachen Weg vom Alten zum Neuen: Die Bleiplatten schmelzen bei niedrigen Temperaturen leicht und können leicht gereinigt werden, ebenso das PVC, aus dem normalerweise das Batteriegehäuse besteht, und der Schwefelsäureelektrolyt kann entweder verdünnt und gereinigt werden als Abwasser entsorgt werden, oder die Sulfate können zur Herstellung neuer Elektrolyte zurückgewonnen oder zur Herstellung anderer Konsumgüter wie Seifen verwendet werden.

Lithiumbatterien hingegen haben eine viel kompliziertere Chemie und einen Materialmix, der in einem industriellen Recyclingprozess nicht gut zusammenpasst. Eine Lithium-Ionen-Batterie besteht nicht nur aus Lithium, sondern enthält auch Kobalt-, Mangan-, Eisenphosphat- oder Nickelverbindungen, ganz zu schweigen von Aluminium, Kupfer und Graphit. Die Mischung der Metalle ist nicht nur komplizierter, sondern ihre physikalische Form als auf Metallfolie beschichtete Pulver macht die Rückgewinnung jeder Komponente weitaus komplizierter, als sie einfach in einen Ofen zu werfen.

Auch der Elektrolyt in einer Lithiumbatterie ist viel komplizierter und besteht aus Lithiumsalzen in flüchtigen organischen Lösungsmitteln wie Ethylencarbonat. Dies macht es auch viel schwieriger, mit den freigesetzten Elektrolyten umzugehen; Keine einfache Verdünnung und Neutralisierung mit einer basischen Lösung wie Natriumbicarbonat macht diese Verbindungen sicher genug, um in die Kanalisation eingeleitet zu werden, wie dies beim Blei-Säure-Recycling der Fall ist. Der Umgang damit erhöht die Recyclingkosten und schmälert den potenziellen Gewinn.

Auch der mechanische Prozess des Recyclings ist bei Blei-Säure-Batterien deutlich einfacher. In den fortschrittlichsten Recyclinganlagen können gebrauchte Autobatterien buchstäblich im Ganzen in einen Schredder geworfen werden, der die Kunststoffgehäuse pulverisiert, den Elektrolyten freisetzt und die Innereien zerkleinert. Um die Schwefelsäure zu verdünnen und die Plastikteile wegzuspülen, wird Prozesswasser hinzugefügt, das abgeschöpft werden kann, während die Bleiteile absinken. Alles hat seinen eigenen physischen Weg durch den Prozess, und menschliche Hände müssen die Batterien nie berühren, was zu einem sehr wirtschaftlichen Prozess führt, der sich gut skalieren lässt. Und selbst wenn der Prozess nicht vollständig automatisiert ist, erleichtert die begrenzte Anzahl an Formen und Größen der Batterien in Verbindung mit ihrer relativ großen Größe die Ausrichtung der Batterien für eine schnelle Demontage.

Vergleichen Sie dies mit dem Umgang mit einem Lithium-Ionen-Akku. Der Formfaktor hierfür könnte von einem Laptop-Akku über einen alten Akku für Bohrschrauber bis hin zu den Eingeweiden eines zerstörten Elektrofahrzeugs reichen. Während die meisten davon mit Zellen wie dem 18650 bestückt sind, unterscheidet sich jede einzelne in Größe und Form, und die Anzahl und Ausrichtung der Zellen innerhalb der Packung variiert stark. In den meisten Packungen befindet sich auch eine Art Leiterplatte, deren Freisetzung einen separaten Schritt erfordert und einem anderen Recyclingstrom zugeführt werden muss. Zumindest für den Moment ist die Demontage von Lithium-Ionen-Akkus dadurch eine Arbeit von Menschenhand, was sie zu einem teuren Unterfangen macht, das sich nur schlecht skalieren lässt.

Die Unterschiede zwischen dem Aufwand für das Recycling von Blei-Säure- und Lithium-Ionen-Batterien bestimmen die Gesamtwirtschaftlichkeit des Prozesses. Betrachtet man den Preis von Lithium (17.000 $/Tonne) im Vergleich zu Blei (2.600 $/Tonne), scheint es, dass das Recycling von Lithium rentabler wäre. Aber wenn man das Lithium nicht effektiv aus Batterien herausholen kann, spielt es keine Rolle, wie viel man mit dem Zeug verdienen würde. Für Recycler ist das Wertversprechen stark zugunsten von Blei verzerrt, wo riesige Rohstoffmengen und einfache Extraktionsmethoden das Recycling zu einem profitablen Unterfangen machen. Ganz zu schweigen von den Gefahren, die mit der Einmischung von Lithiumbatterien in den Blei-Säure-Recyclingstrom verbunden sind.

All dies führt zu der traurigen Tatsache, dass derzeit 97 % der Lithium-Ionen-Batterien nicht recycelt werden. Da die ersten Generationen von Elektro- und Hybridfahrzeugen das Ende ihrer Lebensdauer erreichen, wird eine große Menge neuer leerer Batterien in den Abfallstrom gelangen. Dies wird ein Problem sein, mit dem wir uns bald befassen müssen. Die Tatsache, dass sowohl Lithium als auch Kobalt aus politisch instabilen Regionen der Welt stammen, wird wahrscheinlich dazu beitragen, die Wirtschaftlichkeit des Recyclings zu verzerren, sodass es sinnvoller ist, die Mineralien zurückzugewinnen, anstatt sie in unbrauchbarem Zustand dem Boden zuzuführen, aus dem sie stammen. Die Dinge werden sich wahrscheinlich ändern, aber derzeit sind Lithium-Ionen-Batterien eine Sackgasse.