Wertschöpfung von Batterien hat großes ökologisches Potenzial

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Wissenschaftler plädieren in aktueller Publikation für Konzept „Design for Recycling“

In der zirkulären Wertschöpfung von Batterien liegt großes ökologisches und wirtschaftliches Potenzial. So senkt der Einsatz recycelter Materialien nicht nur die Kosten für die Ausgangsrohstoffe, sondern ermöglicht auch Energieeinsparungen in der Batterieproduktion. Ein am 10.01.2022 in Advanced Energy Materials veröffentlichter Artikel zum Batterierecycling gibt nun Aufschluss darüber, welche Herausforderungen neue Materialkonzepte für das Batterierecycling mit sich bringen, warum „Design for Recycling“ ein vielversprechender Ansatz für eine nachhaltige Batteriewirtschaft ist und welche rechtlichen Rahmenbedingungen in den USA, der Europäischen Union (EU) und China vorherrschen.

Li-Ionen-Batterie am Berliner Effizienzhaus Plus – Foto © Gerhard Hofmann

„Die dynamische Entwicklung des Batteriemarkts spiegelt sich auch in den eingesetzten Materialien wider. Auf Seiten der Aktivmaterialen wird beispielsweise oftmals ein Materialmix eingesetzt, der es erschwert, hohe Recycling-Effizienzen und Reinheiten der einzelnen Rohstoffe zu erreichen“, erklärt Sascha Nowak, Bereichsleiter Analytik und Umwelt am MEET Batterieforschungszentrum der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster. Hinzu komme, dass bestimmte Aktivmaterialien wie Lithium-Eisen-Phosphat (LFP) einen geringeren Materialwert im Vergleich zu beispielsweise Lithium-Nickel-Cobalt-Mangan-Oxid (NMC) haben. Das senke die Profitabilität des Recyclings.

Automatisierung, Materialdesign und direktes Recycling bieten Potenziale

Einen Ansatz, um bestehenden und neuen Herausforderungen gerecht werden zu können, sehen die Forscher im Konzept „Design for Recycling“. Dieses zielt darauf ab, Verschraubungen und Verbindungen zwischen Modulen oder Zellen zu standardisieren und so zu designen, dass eine möglichst automatisierte Demontage der Zellen möglich ist. Gleichzeitig schließt der Ansatz das Materialdesign ein. Entwickelt werden sollen zum Beispiel wasserbasierte Bindersysteme für Elektrodenmaterialen, um beim Recycling teure, potenziell toxische Lösungsmittel reduzieren zu können. Ein anderer Ansatz sei das direkte Recycling. „Dabei werden Aktivmaterialien, hauptsächlich aus der Kathode, nach dem Gebrauch durch Relithiierung reaktiviert, um sie direkt in neuen Zellen verbauen zu können, ohne dass eine vollständige Resynthese der Materialien erfolgen muss,“ erklärt Jonas Neumann, Doktorand am MEET Batterieforschungszentrum.

Solche und weitere Ansätze werden in einigen Teilen der Welt durch rechtliche Rahmenbedingen für das Batterierecycling reguliert. In der EU und China sind die Batterieproduzenten für das Recycling ihrer Batterien verantwortlich. Darüber hinaus gibt es Bestimmungen für Sammelraten gebrauchter Batterien, Ziele für die Materialrückgewinnung und Labeling-Standards. Die Gesetze in den USA zielen insbesondere auf das Recycling von Nickel-Cadmium- und Blei-Säure-Akkus ab. Umfassendere Vorgaben, die das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien einschließen, gelten bisher nur in vier Bundesstaaten.

Veröffentlichung im Fachmagazin „Advanced Energy Materials“

Die detaillierten Ergebnisse zu den Entwicklungen des Batterierecyclings haben Nowak und Neumann  mit Prof. Martina Petranikova, Department of Chemistry and Chemical Engineering, Industrial Material Recycling der Technischen Hochschule Chalmers, Marcel Meeus, Energy Materials Industrial Research Initiative, Jorge D. Gamarra und Ass.-Prof. Reza Younesi, Department of Chemistry der Universität Uppsala, sowie Prof. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster, in Advanced Energy Materials veröffentlicht.

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