Das Tempo könnte höher sein – doch die Elektromobilität kommt voran in Deutschland. Mit dem Hochlauf wird auch die Nachfrage nach Batterien und die dafür benötigten Rohstoffe wachsen. Das Ökoinstitut hat dies in einem Bericht zum Bedarf strategischer Rohstoffe für den Pkw- und Lkw-Sektor in Deutschland bis 2040 berechnet. So steigt zum Beispiel der Lithiumbedarf in neu zugelassenen Fahrzeugen in Deutschland bis zum Jahr 2035 auf gut 25.000 t an. Zum Vergleich: 2020 waren es nur 1000 t Lithium. Für die anderen Materialien werden ähnliche Quoten erwartet. Bei Nickel soll der Bedarf von unter 10.000 t (2020) auf fast 110.000 t im Jahr 2035 wachsen.
Ein Weg zumindest einen Teil der Nachfrage zu decken, wird Recycling sein. Mit der vermehrten Nutzung von E-Fahrzeugen stehen künftig auch mehr gebrauchte Batterien zur Verfügung, deren Materialien wiederverwendet werden könnten. So erwartet das Ökoinstitut ab 2030 „ein deutlich wachsendes Sekundärrohstoffpotenzial für wichtige Schlüsselrohstoffe wie Lithium, Kobalt, Nickel und Kupfer“. Die Erschließung dieses Potenzials könne mittel- und langfristig maßgeblich zu einer stärkeren Unabhängigkeit Europas bezüglich der Schlüsselversorgung mit diesen Rohstoffen beitragen, heißt es weiter.
Die neue EU-Batterieverordnung wird das Thema zusätzlich vorantreiben. Ab 2028 müssen zum Beispiel Kobalt, Kupfer sowie Nickel zu 90 % und Lithium zu 50 % aus Batterien zurückgewonnen werden. Ab 2032 steigt der Anteil bei Kobalt, Kupfer und Nickel auf 95 %, bei Lithium sind es dann 80 %. Ebenso gibt es Vorschriften, wie viel recyceltes Material künftig die einzelnen Batterien enthalten müssen.
Die Rückgewinnung von Nickel, Kobalt und Kupfer wird bereits sei vielen Jahren erfolgreich betrieben. Bei Lithium sieht das dagegen noch etwas anders aus. Dessen Recycling ist schwieriger. „Lithium ist relativ reaktiv“, berichtet Johannes Betz, Senior Researcher und Experte für das Thema Batterie-Recycling am Ökoinstitut. Bestehende Verfahren müssten entsprechend angepasst werden oder vollkommen neue entwickelt werden. Immerhin: An diesen wird bereits gearbeitet. Jeder Recycler beschäftige sich aktuell mit diesem Thema, so Betz.
Hoher Logistikaufwand
Ebenso gibt es Konzepte, um auch die Herausforderung in Sachen Logistik zu bewältigen. Denn Batterien enthalten toxische Stoffe wie etwa Kobalt-Nickel-Salze. Und lithium-haltige Batterien stellen eine potenzielle Brandgefahr dar, wenn man nicht sorgsam mit ihnen umgeht. Das führt dazu, dass für Recycling-Prozesse hohen Sicherheitsanforderungen unterliegen – was den Aufwand für den Transport erhöht. Eine Lösung dafür wäre, die Batterien in kleineren Zentren mit kurzen Anfahrtswegen zunächst vorzubehandeln und sie anschließend zur eigentlichen Recycling-Anlage zu bringen.
Laut Ökoinstitut ist inzwischen eine zunehmende Zahl von Unternehmen mit unterschiedlichen Verfahren auf verschiedenen Stufen der Recycling-Kette aktiv und investiert in die Ausweitung notwendiger Aufbereitungs- und Recyclingkapazitäten. Die gesamte Branche bereitet sich also schon darauf vor, dass es künftig mehr Bedarf an der Rückgewinnung von Batterierohstoffen gibt.
Hürden für die Automation
Es gibt jedoch ein grundsätzliches Problem. Die Art und Weise, wie Batterien zur Zeit entwickelt und hergestellt werden, begünstigen nicht gerade das anschließende Recycling. Es gehe künftig darum, komplette Batterie-Packs zu demontieren – und dies möglichst automatisiert. Dies berichtete Joachim Döhner, der beim Roboterspezialisten Kuka als Senior Director Global Sales der Geschäftseinheit Battery tätig ist, auf einem Roundtable während der Messe Automatica im vergangenen Jahr. Doch die Batterie-Designs würde dies nicht unterstützen. So geht zum Beispiel aktuell der Trend dazu, die Batteriemodule zu verkleben, statt sie zu verschrauben. Das erschwert die Demontage.
„Es gibt Batteriekonzepte, die wesentlich einfacher und effizienter demontierbar wären“, berichtet Döhner. „Das Problem dabei ist: Im Markt gibt es einen knallharten Preiskampf.“ Es werde um jeden Dollar pro Kilowattstunde gekämpft, der sich einsparen lasse.
Oberstes Ziel bei der Batterieproduktion ist es, möglichst kosteneffizient zu sein. Die Kreislaufwirtschaft ist dabei eher zweitrangig. Zudem gibt es auch andere Gründe, warum Batterien so hergestellt werden, wie es aktuell der Fall ist. Manche Verklebungen haben etwa auch den Zweck, die Brandgefahr zu reduzieren oder die Haltbarkeit zu verlängern.
Welche Hürden der Rückgewinnung von Batteriematerialien noch im Wege stehen, damit haben auch die Experten im Projekt Demobat ihre Erfahrungen gemacht. In dem Projekt, das vom Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) koordiniert wurde, haben zwölf Industriepartner an Konzepten und Technologien gearbeitet, mit denen sich die industrielle Demontage von Batterien und E-Motoren vereinfachen sowie automatisieren lässt.
Dabei stellten auch sie fest, dass bei der Entwicklung von Batterieprodukten die Demontierbarkeit keine vorrangige Rolle spielt. Einige Demontageschritte seien nur mit erhöhtem Aufwand automatisiert umsetzbar, heißt es im Abschlussbericht. „So wurden beispielsweise Einbaupositionen von Bauteilen, die eine erschwerte Zugänglichkeit für robotergeführte Werkzeuge und Robotvision-Systeme aufweisen, Verklebungen, die nur unter erheblichem Kraftaufwand zu lösen sind, oder Kabelenden, die frei beweglich in undefiniertem Zustand vorliegen, identifiziert.“
Für solche Herausforderungen sollte das Projekt Lösungen finden. Und dieses Ziel wurde erreicht. Die wichtigsten Ergebnisse des Projekt sind vier Demonstratoren, von denen drei auf das Thema Batterie ausgerichtet sind. Diese umfassen die Prozesse von der Demontage bis zur stofflichen Verwertung der Batterien.
Unter anderem wurden flexible Roboterkonzepte entwickelt, mit denen sich Traktionsbatterien bis auf Modulebene demontieren lassen. Der Fokus lag dabei auf dem Öffnen der Batteriesysteme und der Demontage der internen Komponenten. Ein Ziel des Ansatzes war es, Lösungen zu entwickeln, die technologieunabhängig sind – also sich für verschiedene Batterievarianten einsetzen lassen.
Wasserstrahl bringt Vorteile
Zudem entwickelten die Experten im Projekt auch ein Konzept, um die Zellen aus den Modulen automatisiert zu entnehmen. Dieses besteht aus zwei Robotern mit unterschiedlichen Endeffektoren und Funktionalitäten sowie einer flexiblen Steuerungsarchitektur.
Um die Materialien aus Lithium-Ionen-Batterien wieder zurückgewinnen, kommt eine spezielle Verfahrenstechnik zum Einsatz, die ebenfalls ein Ergebnis des Projekts ist. In diesem geht es zunächst um die sichere Entladung und die Separation der Elektroden. Mit einem Hochdruckwasserstrahl wird dann die Elektrodenbeschichtung von den Trägerfolien gelöst. Das Verfahren biete aus ökologischer Sicht Vorteile „im Vergleich zu konventionellem Batterierecycling, zum Beispiel der Hydrometallurgie und anschließender Synthese“, heißt es im Abschlussbericht.
Das Projekt Demobat beschäftigte sich aber auch mit den Voraussetzungen für eine einfachere Rückgewinnung der Batterierematerialien. So wurde ein recycelfreundliches Design erarbeitet und der Prototyp einer demontage-gerechten Batterie aufgebaut.
Daneben gibt es aber noch viele weitere Projekte, die ähnliche Ziele haben. So wird zum Beispiel im Projekt RecyLIB an einem integrierten Herstellungsverfahren für Lithium-Ionen-Batterieelektroden gearbeitet, bei dem der Produktionsprozess bereits so gestaltet ist, dass recyceltes Material verwendet werden kann. Dadurch soll sich das aktive Funktionsmaterial nach dem Ende der Lebensdauer der Batterie mit hoher Ausbeute zurückgewinnen lassen und für die direkte Wiederverwendung bei der Herstellung von Elektroden zur Verfügung stehen.
Michael Hofmann vom Fraunhofer Institut für Silicatforschung koordiniert das Projekt. Er bringt die Anforderung für die Zukunft auf den Punkt: „Batterieproduktion und Batterierecycling müssen Hand in Hand gehen, damit der Energie- und Ressourcenverbrauch in der Produktion sowie die CO-Emissionen und andere Umweltauswirkungen so gering wie möglich sind.“
Ein Zentrum für Produktion und Recycling
Die BASF denkt die Themen Produktion und Recycling bereits zusammen. In Schwarzheide hat der Chemiekonzern ein gemeinsames Zentrum für Batteriematerialproduktion und Batterierecycling eröffnet. Der Komplex umfasst laut Unternehmen die erste vollautomatische Großanlage zur Herstellung von Kathodenmaterialien in Europa. In der Recyclinganlage sollen ausgediente Batterien sowie Abfälle aus deren Produktion mechanisch zu Schwarzer Masse verarbeitet werden. Aus dieser lassen sich dann die Materialien Lithium, Nickel, Kobalt und Mangan zurückgewinnen.
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