Energie
Bewältigung des Li-Ion-Dilemmas: Entsorgung defekter Batteriezellen in einer zunehmend elektrifizierten Welt
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Es ist allgemein bekannt, dass das Verbrennen fossiler Brennstoffe unsere Umwelt beeinträchtigt. Diese Brennstoffe bestehen nicht nur aus Kohlenstoff, sondern enthalten auch Wasserstoff, Stickstoff und Schwefel. Beim Verbrennen setzen fossile Brennstoffe ein Gemisch aus Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasser frei, zusammen mit Stickstoff- und Schwefeloxiden. Diese Stoffe, insbesondere in hohen Konzentrationen giftig, stellen ernsthafte Gefahren für Gesundheit und Sicherheit dar. Besonders die Emission von Kohlendioxid ist ein wesentlicher Verursacher der globalen Erwärmung und unterstreicht die Umweltauswirkungen der Verbrennung fossiler Brennstoffe.
Der Bedarf, von fossilen Brennstoffen wegzukommen, hat zu einer exponentiell gestiegenen Nachfrage nach Batterien geführt. In Anlehnung an diesen Trend prognostizieren die Forscher, dass die globale Batteriemarktgröße von 112 Milliarden US‑$ im Jahr 2021 auf 424 Milliarden US‑$ im Jahr 2030 wachsen wird. Der Markt umfasst mehrere Batteriekategorien, wie Lithium‑Ion, Zink‑Mangan‑Dioxid, Blei‑Säure, Nickel‑Metall‑Hydrid, Nickel‑Cadmium, Natrium‑Schwefel, Nickel‑Zink, kleine versiegelte Blei‑Säure, Flussbatterien und weitere.
Allerdings bilden Lithium‑Ion- und Blei‑Säure‑Batterien den Großteil dieses Batteriemarktes, sodass die anderen Kategorien nur einen langen Schwanz erhalten.
Betrachten wir die Marktgröße von 424 Milliarden US‑$ für 2023, so werden mehr als 257 Milliarden US‑$ – über 60 % des gesamten Batteriemarktes – von Lithium‑Ion‑Batterien eingenommen. Mehr als 121 Milliarden US‑$ – 27 % des Marktes – werden von Blei‑Säure‑Batterien belegt. Diese beiden Kategorien zusammen machen über 87 % des Marktes aus und lassen fast 13 % für die übrigen Kategorien zum Wettbewerb übrig.
Wo werden diese Batterien eingesetzt?
Lithium‑Ion‑Batterien finden sich in den meisten tragbaren Konsumelektronikgeräten um uns herum, einschließlich Handys und Laptops. Sie sind zudem die Hauptwahl für die Mehrheit der vollelektrischen Fahrzeuge und Plug‑in‑Hybrid‑Fahrzeuge (PHEV), die in rasantem Tempo an Bedeutung gewinnen.
Blei‑Säure‑Batterien hingegen sind nicht so effizient wie Lithium‑Ion‑Batterien. Sie besitzen eine geringe spezifische Energie, funktionieren bei niedrigen Temperaturen schlecht und haben eine kürzere Lebensdauer. Ihre weit verbreitete Nutzung beruht hauptsächlich auf den niedrigen Kosten. Dennoch wird derzeit an fortschrittlichen Blei‑Säure‑Batterien gearbeitet – insbesondere für den Einsatz in kommerziellen elektrisch angetriebenen Fahrzeugen für Nebenlasten.
Nikel‑Metall‑Hydrid‑Batterien werden in Computern und medizinischen Geräten eingesetzt und spielen auch eine bedeutende Rolle in Hybrid‑Elektrofahrzeugen. Mit dem stetigen Anstieg der Nutzung von Elektronikgeräten und dem kontinuierlichen Zuwachs des Marktanteils von Elektrofahrzeugen wird der Batterieverbrauch zwangsläufig weiter steigen.
Diese Batterien haben jedoch eine begrenzte Haltbarkeit und müssen schließlich entsorgt werden. Das stellt in einer zunehmend elektrifizierten Welt eine Herausforderung dar – die Entsorgung defekter Batteriezellen. Es gibt Lösungen, doch bevor wir diese weiter untersuchen, ist es wichtig, die Ursachen genauer zu betrachten.
Batterielebensdauer: Ein kurzer Überblick
Batterien können sich in ihrer Kapazität, ihrem Einsatzort und dem Material, aus dem sie bestehen, unterscheiden. Jeder Faktor beeinflusst, wie lange eine Batterie halten sollte. Die beliebteste Batteriekategorie ist Lithium‑Ion. Und Elektrofahrzeuge sind die Anwendungsgruppe, die diese Batterien in großem Umfang einsetzt.
Die Batterien, die in Elektrofahrzeugen verwendet werden, ähneln denen in unseren Handys und Laptops. Sie bieten zahlreiche Vorteile, darunter eine hohe Energiedichte pro Masse- und Volumeneinheit im Vergleich zu anderen elektrischen Energiespeichersystemen, ein hohes Leistungs‑zu‑Gewichts‑Verhältnis, hohe Energieeffizienz, effiziente Hochtemperatur‑Leistung, lange Lebensdauer und geringe Selbstentladung.
EV‑Batterien nutzen Pakete, die aus mehr als zweitausend einzelnen Lithium‑Ion‑Zellen bestehen, die zusammenarbeiten. Jedes Batteriepakt ist so ausgelegt, dass es seine Lade‑Entlade‑Fähigkeit über etwa 100.000 bis 200.000 Meilen hinweg beibehält. Und gemessen in Jahren haben die meisten EV‑Batterien eine erwartete Lebensdauer von 15 bis 20 Jahre im Fahrzeug.
Die Risiken der Entsorgung defekter Batteriezellen
Laut der United States Environmental Protection Agency würden die meisten Lithium‑Ion‑Batterien unter dem Resource Conservation and Recovery Act (RCRA) als gefährlicher Abfall eingestuft. Sobald sie entsorgt werden, sind diese Batterien häufig entzündlich und reaktiv. Obwohl sie dem Nutzer als vollständig entladen und entsorgbar erscheinen, behalten Li‑Ion‑Batterien häufig noch erhebliche Ladungen, was ein Risiko darstellt.
Zudem können beschädigte und nicht vollständig versiegelte Lithium‑Batterien extrem gefährlich werden, wenn sie bei der Entsorgung mit Wasser in Kontakt kommen. Der erhebliche Metallgehalt in Li‑Ion‑Batterien, der schwer zu entfernen und umweltschädlich ist, verstärkt die Besorgnis.
Ein wissenschaftlicher Bewertungsbericht hat hervorgehoben, dass Li‑Ion‑Batterien hohe Konzentrationen von Aluminium, Kobalt und Kupfer enthalten. Weitere Studien zeigen die gefährliche Natur defekter Li‑Ion‑Batterien aufgrund ihres Bleigehalts (Durchschnitt 6,29 mg/L; σ = 11,1; Grenzwert 5).
Nach kalifornischen Vorschriften qualifiziert das Vorhandensein übermäßiger Konzentrationen von Kobalt (Durchschnitt 163.544 mg/kg; σ = 62.897; Grenzwert 8.000), Kupfer (Durchschnitt 98.694 mg/kg; σ = 28.734; Grenzwert 2.500) und Nickel (Durchschnitt 9.525 mg/kg; σ = 11.438; Grenzwert 2.000) alle Lithium‑Batterien als gefährlich.
Ausgelaugte Konzentrationen von Chrom, Blei und Thallium in diesen Batterien überschreiten ebenfalls die kalifornischen Regulierungsgrenzen. Neben der Toxizität für Menschen und die umgebende Ökologie führen Lithium‑Ion‑Batterien auch zu einer Ressourcenverknappung, was ein ernstes Problem für unsere Zukunft darstellt.
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Wie kann man defekte Batteriezellen recyceln?
Die Gefahren, die die Entsorgung defekter Batteriezellen mit sich bringt, erfordern ein Recycling. Allerdings kann das Recycling einer defekten Batterie gefährlich sein. Unsachgemäßer Umgang mit defekten Batteriezellen kann Kurzschlüsse, Verbrennungen und die Freisetzung giftiger Gase verursachen.
Der Schlüssel liegt in effizienten Recyclingmethoden, die nicht nur die Verschmutzung verhindern, sondern auch Möglichkeiten schaffen, einen nachhaltigen sekundären Strom kritischer Materialien zu erzeugen. Eine solche effiziente Methode zum Recycling von Lithium‑Ion‑Batterien wurde von Forschern des Oak Ridge National Library des Energieministeriums entwickelt.
Die Lösung besteht darin, die verbrauchte Batterie in einer Lösung aus natürlich vorkommender Zitronensäure, die organisch in Zitrusfrüchten vorkommt, einzuweichen. Die Zitronensäurelösung wird in Ethylenglykol gelöst, und die Mischung unterstützt einen hocheffizienten Trenn- und Rückgewinnungsprozess, bei dem Metalle aus der Kathode, der positiv geladenen Elektrode der Batterie, separiert werden.
Ein effizienter Rückgewinnungsprozess für die Kathode bedeutet geringere Batteriekosten, da die Kathode mehr als 30 % der Batteriekosten ausmacht, weil sie kritische Materialien enthält. Die Recyclingmethode kann fast das gesamte Kobalt und Lithium aus der Kathode auslaugen, ohne das System zu verunreinigen. Sie kann über 96 % des Kobalts innerhalb von Stunden zurückgewinnen. Es ist nicht nötig, weitere Chemikalien hinzuzufügen, um den Säuregehalt manuell auszugleichen.
Laut Lu Yu, dem leitenden Forscher des Projekts:
„Dies ist das erste Mal, dass ein Lösungssystem sowohl die Funktionen des Auslaugens als auch der Rückgewinnung abdeckt.“
Abgesehen von solchen laborbasierten Forschungsbemühungen, die in Zukunft in die Produktion skaliert werden sollen, haben bereits mehrere Unternehmen die Aufgabe übernommen, defekte und entsorgte Lithium‑Ion‑Batterien zu recyceln. Wir werden im Folgenden einige von ihnen betrachten.
1. American Battery Technology Company
Die geschlossenen Batterierecycling‑Prozess hat die American Battery Technology Company (ABAT ) entwickelt, um kritische Materialien aus Batterien, die dem Ende ihrer nutzbaren Lebensdauer nahe sind, zu trennen und zurückzugewinnen. Ihre Bemühungen enden jedoch nicht bei der Trennung und Rückgewinnung.
Der Prozess beinhaltet die Reinigung dieser Batteriemetalle auf dieselbe oder höhere Qualitätsstandards. Laut dem Unternehmen bietet sein System mehrere Wettbewerbsvorteile. Das strategische Design gewährleistet null Hochtemperatur‑Operationen und verhindert Emissionen von Luft- und Flüssigkeitspollutanten. Darüber hinaus entsprechen die Recyclinganlagen dem Durchsatz von Produktionsanlagen, erzeugen minimalen Abfall und erfordern geringe Investitionskosten für die Einrichtung.
ABAT Preisdiagramm
Der Finanzbericht 2024 für das erste Quartal 2024, veröffentlicht vom Unternehmen, listete seine wichtigsten Meilensteine auf dem Weg zu umsatzgenerierenden Aktivitäten auf. Bemerkenswert ist, dass das Unternehmen seine erste Recyclinganlage im kommerziellen Maßstab entworfen, in Betrieb genommen und den Betrieb aufgenommen hat, die eine nominale Durchsatzkapazität von 20.000 metrischen Tonnen pro Jahr aufweist.
Das Unternehmen sicherte sich außerdem zwei DOE‑Zuschüsse der USA im Rahmen von Verträgen und wurde kürzlich für zwei weitere Zuschüsse in Höhe von insgesamt 70 Millionen US‑$ an vertraglich zugesagten Bundesmitteln qualifiziert. Es notierte erfolgreich seine Aktien und begann am 21. September 2023 mit dem Handel an der Nasdaq.
Zum Zeitpunkt dieses Schreibens lag der Aktienkurs der American Battery Technology Company bei 3,99 $ und die Marktkapitalisierung betrug über 188 Millionen $.
2. Lithion Technologies
Lithion Technologies produziert nachhaltig strategische Materialien aus Li‑Ion‑Batterien. Seine Technologie ist in der Lage, bis zu 95 % der Komponenten dieser Batterien zurückzugewinnen.
Bei der mechanischen Extraktion kann Lithion mehr als 98 % des Mineralienkonzentrats zurückgewinnen. Das kritische Mineralienkonzentrat wird anschließend durch seine patentierte Hydrometallurgie‑Technologie verarbeitet. Dieser Prozess ermöglicht die Rückgewinnung wesentlicher Materialien wie Lithium, Kobalt, Nickel, Graphit und Mangan.
Bemerkenswerterweise behauptet Lithion, dass seine Technologien im Vergleich zur herkömmlichen Bergbau‑Extraktion zu einer deutlich geringeren Umweltbelastung führen. Ihre Treibhausgasemissionen sind um 75 % niedriger als beim Bergbau, und der Wasserverbrauch wird um beeindruckende 90 % reduziert.
Im April 2022 erhielt Lithion 22,5 Millionen $ an Fördermitteln von der Regierung Québec, darunter eine Eigenkapitalinvestition von 15 Millionen $ in das Unternehmenskapital über Investissement Québec sowie 7,5 Millionen $ an Zuschüssen vom Fonds d’électrification et de changements climatiques.
3. Ecobat
Ecobat arbeitet über ein umfangreiches Netzwerk von 65.000 Sammelstellen, um Batterien am Ende ihres Lebenszyklus im Rahmen seiner Recycling‑Energiespeicherlösungen zu verwalten. Bisher hat es fast 15.000 Mitglieder oder Kunden gewonnen und recycelt 120 Millionen Batterien pro Jahr.
Für die Sammlung an den festgelegten Punkten verfügt Ecobat über eine eigene Flotte von 100 Fahrzeugen. Mit 11 Schmelzanlagen bearbeitet es Lithium‑Batterien, Blei‑Batterien und andere Batteriekemien. Ecobat verfügt zudem über einen geschlossenen kreisförmigen Rückgewinnungsprozess, bei dem 80 % der Rückgewinnung in die Batteriefertigung zurückfließen. Es verspricht zudem eine Recyclingquote von 99 %.
Ecobat behauptet, der weltweit größte Batterierecycler zu sein, der den grundlegenden Bedarf an Energiespeicherung deckt, indem er das Batteriegeschäft sicherer und nachhaltiger für eine zirkuläre Energiewirtschaft macht. Im Jahr 2021 recycelte das Blei‑Batterie‑Recyclinggeschäft von Ecobat vollständig 70 Millionen Autobatterien.
4. Cirba Solutions
Cirba Solutions verfügt über insgesamt 60 Jahre Recycling‑Erfahrung mit drei Marken – Battery Solutions, Heritage Battery Recycling und Retriev Technologies – unter seinem Dach. Es ist einer der Pioniere im Lithium‑Batterierecycling mit eigenem Recycling‑Team, batteriezentrierter Logistik, geschlossenen Lebenszyklus und Lithium‑Verarbeitungsanlagen.
Das Unternehmen verfügt über einen spezialisierten Recyclingprozess, der cross‑chemische Lösungen für sowohl kobaltbasierte als auch nicht‑kobaltbasierte Bestandteile umfasst. Bis heute hat es mehr als 36 Millionen Pfund Lithium‑Ion über einen Zeitraum von mehr als 30 Jahren verarbeitet.
Nach den neuesten verfügbaren Daten hat Cirba am 9. Februar 2023 in seiner letzten Unternehmensrunde 50 Millionen US‑$ eingeworben.
Entsorgung defekter Batteriezellen: Der zukünftige Umfang
Die Präsenz von Lithium‑Ion‑Batterien, die für den Betrieb von Elektrofahrzeugen und die Stromversorgung moderner Konsumelektronik unerlässlich sind, wird weiter zunehmen. Statistisch gesehen wird die globale Nachfrage nach Lithium‑Ion‑Batterien zwischen 2022 und 2030 fast um das Siebenfache steigen und 2030 4,7 TWh erreichen.
Produktionsseitig beherrscht China mehr als drei Viertel der weltweiten Kapazität. Nordamerika und Europa werden nicht lange zurückbleiben, da sie ebenfalls eine signifikante Produktionssteigerung anstreben. Deshalb sind konsolidierte und gut koordinierte globale Anstrengungen erforderlich, um sicherzustellen, dass das Batterierecycling zu einem zugänglichen und nachhaltigen Prozess wird, und erst dann können wir die Welt vor Verschmutzungs- und Ressourcenverknappungsrisiken schützen.
China beispielsweise hält Automobilhersteller für die „End‑of‑Life‑Behandlung“ von Fahrzeugbatterien verantwortlich. Die Europäische Union ist nicht weit dahinter und hat ebenfalls Standards für die Sammlung und Rückgewinnung von Batterien festgelegt.
Immer mehr Innovationen in Second‑Life‑Anwendungen dieser Batterien werden helfen, die drohenden Gefahren eines ineffizienten Recyclings zu vermeiden. Schließen wir mit einem solchen Beispiel ab. Ein Energiespeichersystem in der Johan‑Cruijff‑Arena in Amsterdam nutzt das Äquivalent von 148 neuen und gebrauchten Nissan‑LEAF‑Batterien, um Energie von 4.200 Solarpaneelen zu erfassen und bis zu 3 Megawatt zu speichern. Diese Erfassung reicht aus, um eine halbe Million iPhones als Backup aufzuladen.
Zusammenfassend erfordert das Erreichen der Ziele im globalen Maßstab die aktive Teilnahme aller. Automobilunternehmen, Hersteller von Konsumelektronik, globale Wirtschaftsorganisationen, Staatsräte – alle müssen ihre Stimme für ein nachhaltiges und effizientes Recycling und die Rückgewinnung defekter Batteriezellen erheben.
