Haben Sie schon einmal versucht, aus einem Smoothie die Banane zurückzugewinnen? So ähnlich sei es, sagt Benjamin Balke-Grünewald, wenn man die Batterie eines Elektromotors recyceln will. Der Abteilungsleiter Energiematerialien an der Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie (IWKS) arbeitet daran, das Unmögliche möglich zu machen. Seine Bananen sind allerdings Metalle: Lithium, Nickel, Kobalt und Mangan. Anders als in einem Smoothie sind diese Rohstoffe zwar nicht miteinander püriert, aber dennoch eng verbunden. Akkus bestehen aus Dutzenden dünnen Alufolien, beschichtet mit einem lithiumhaltigen Oxidgemisch, ebenso vielen mit Grafit beschichteten Kupferfolien, dazwischen jeweils eine Trennfolie und leitende Elektrolytflüssigkeit. Sie gelten als Albtraum der Recycling-Branche.
Ob es gelingt, für Akkus von Elektroautos eine Kreislaufwirtschaft zu etablieren, ist entscheidend dafür, wie nachhaltig Elektromobilität sein kann. Werden recycelte Materialien eingesetzt, verursacht die Produktion eines Akkus 30 bis 50 Prozent weniger CO₂-Äquivalente, hat ein Forschungsteam der Universitäten in Schanghai, Peking und Hongkong herausgefunden. Verwendet man die Batterie nach ihrer Nutzung im Fahrzeug weiterhin als Stromspeicher, etwa für eine Photovoltaikanlage, und gewinnt im Anschluss die Rohstoffe zurück, reduziert sich ihr ökologischer Fußabdruck nach Angaben des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung (ISI) sogar um bis zu 80 Prozent.
Recycling macht unabhängiger
Für Autohersteller und Politik geht es beim Recycling der Batterien auch um mehr Unabhängigkeit bei der Beschaffung von Rohstoffen. Alle Komponenten der Akkus gelten in der Europäischen Union als strategisch wichtig. Die EU-Kommission rechnet mit einer exponentiell steigenden Nachfrage und fürchtet Engpässe, weil es so aufwendig ist, die Metalle zu gewinnen und herzustellen. Daher gilt die Devise: besser noch einmal verwenden, was bereits vorhanden ist.
Für die Produktion von Autoakkus schreibt die europäische Batterieverordnung ab August 2031 sogenannte Blending Obligations vor: Hersteller müssen recycelte Anteile bei Kobalt (16 Prozent), Blei (85 Prozent), Nickel und Lithium (je sechs Prozent) verwenden. 2036 werden diese Quoten nochmals angehoben. „Keine Firma kann heute die Werte für 2031 umsetzen“, sagt Balke-Grünewald. Für recyceltes Kobalt oder Nickel etwa gebe es derzeit gar keinen Markt. Die Hersteller versuchten daher zunächst, sich selbst zu versorgen, indem sie ihren Produktionsabfall recyceln. 10 bis 15 Prozent der beschichteten Alu- und Kupferfolien fallen bei der Produktion als Abfall an und würden aktuell einfach entsorgt.
Soll recyceltes Material in neue Akkus fließen, muss es erst einmal den alten Batterien entnommen werden. Auch dafür schreibt die EU Quoten vor. Aktuell muss bloß die Hälfte eines Autoakkus nach Gewicht recycelt werden – das wird oft schon dadurch erreicht, indem das Gehäuse und ein paar metallische Befestigungen entfernt und aufbereitet werden. Strategisch wichtige Rohstoffe gewinnt man so freilich nicht. Ab 2028 werden die Vorgaben spezieller: 90 Prozent des enthaltenen Kobalts, Kupfers, Nickels und Bleis und 50 Prozent des enthaltenen Lithiums müssen dann wiedergewonnen werden. 2032 werden diese Quoten auf 95 respektive 80 Prozent angehoben.
Handarbeit für die Batterie
Bei Duesenfeld etwa, einem Recyclingbetrieb unweit von Braunschweig, deckt das die Hälfte des Energiebedarfs. Ist der Akku leer, wird sein Gehäuse geöffnet, und die Batteriezellen werden vom Rest getrennt. Das geschieht in Handarbeit. Eine Automatisierung ist schwierig, da die Batterien unterschiedlich konstruiert sind. Nachdem die Batteriezellen isoliert sind, steht man vor dem Bananen-Smoothie-Problem. Duesenfeld setzt dafür auf ein mechanisches Verfahren und schreddert die Batteriezellen in Stickstoffatmosphäre, damit der Elektrolyt nicht zu brennen beginnt. Er wird in einem Vakuumtrockner destilliert, bevor die übrigen Komponenten durch unterschiedliche Trenn- und Siebtechniken separiert werden. Das Ergebnis: geschredderte Gehäuseteile, Schnipsel von Separator-, Kupfer- und Aluminiumfolie sowie ein Pulver mit den Aktivmaterialien, das wegen seiner Farbe Schwarzmasse heißt. Darin enthalten sind Grafit und, je nach Zusammensetzung, Kobalt, Nickel, Lithium oder Mangan.
Wer trennt die Schwarzmasse?
Im nächsten Schritt gilt es, diese Elemente der Schwarzmasse voneinander zu trennen. Dafür wird das schwarze Pulver meist in Säure gelöst, um die dadurch entstehenden Metallsalze zu extrahieren, etwa als Nickelsulfat. Auch bei diesem Schritt wird an diversen Verfahren getüftelt, um den Einsatz von Chemikalien und Energie zu verringern. Cylib etwa, ein Startup, das an der RWTH Aachen gegründet wurde, trennt zunächst wasserbasiert das Lithium ab und verzichtet im ersten Schritt auf den Einsatz von Schwefelsäure. Danach werden die weiteren Metalle zurückgewonnen – laut Cylib zu mehr als 90 Prozent. Je nachdem, wie viel Aufwand betrieben wird, liegen die Rohstoffe anschließend als sogenannter Battery Grade vor – also in der Qualität, die sich für die Produktion neuer Batterien nutzen lässt. Womöglich schon ab 2027 soll das Verfahren in industriellem Maßstab eingesetzt werden.
Ähnlich sieht es überall in Europa aus: Die Kapazitäten für das Recycling von Schwarzmasse sind bislang überschaubar und erst im Aufbau. „Das passiert heute größtenteils in Südostasien und den USA“, sagt Timo Siemers, Chemiker bei Duesenfeld. „Aber wenn die Rohstoffe dort landen, sind sie nicht mehr in Europa verfügbar.“ Es helfe nur bedingt, dass die EU Schwarzmasse seit März als gefährlichen Abfall einstuft, der nur noch in Länder exportiert werden darf, die der OECD angehören. Die Aktivmasse aufzubereiten sei komplexer und teurer, sagt Siemers. Es sei daher aufwendiger, Genehmigungen einzuholen. „Es ist risikoärmer, nur den mechanischen Bereich zu machen und die Schwarzmasse zu verkaufen“, meint er. Diesen Weg beschreitet Duesenfeld, dessen Geschäftsmodell hauptsächlich darauf basiert, das mechanische Verfahren zu lizenzieren.
Wie rentabel das Batterierecycling künftig sein wird, hängt sowohl davon ab, wie sich die Batterien chemisch zusammensetzen, als auch von der Entwicklung der Rohstoffpreise. Zu Beginn der 2030er Jahre könnten Unternehmen eine Marge von 800 bis 1600 US-Dollar pro Tonne Batterien erzielen, schätzt die Unternehmensberatung McKinsey. Erst dann werde es so richtig losgehen mit dem Recycling, denn die Akkus von Elektroautos haben eine Lebensdauer von mindestens zehn Jahren. Ist ihre Kapazität dann auf etwa 80 Prozent gesunken, sind sie als Fahrzeugantrieb zwar nicht mehr geeignet, durchaus aber noch für eine Zweitnutzung als Energiespeicher. Substanzielle Mengen alter Autoakkus seien deshalb erst im weiteren Lauf der 2030er Jahre zu erwarten. Während McKinsey für 2030 noch mit 1,4 Millionen Tonnen rechnet, könnten es 2035 bereits 3,4 Millionen Tonnen sein – und 2040 sogar mehr als sieben Millionen Tonnen.
Genügend Material zum Üben und Weiterentwickeln der Prozesse gibt es aber schon heute: Die Anoden- und Kathodenfolien, die als Produktionsabfälle anfallen, sind noch sortenrein. Keine Vermischung von Grafit mit Lithium oder anderen Metallen, kein Elektrolyt, der das Material brennbar macht. Ein bisschen so, als könnte man erst mal am Obstsalat die Rückgewinnung der Bananen üben, bevor es an den Smoothie geht.