Recycling und Wiederverwendung von Lithium-Ionen-Batterien und Schutzelementen von Dexerials für eine nachhaltige Gesellschaft

Auf dem Weg zu einer nachhaltigen Gesellschaft

Die effiziente Verarbeitung gebrauchter Lithium-Ionen-Batterien und die Wiederverwendung der daraus gewonnenen Ressourcen stellen eine große Herausforderung für den Umweltschutz dar. Dieser Artikel untersucht die Wiederverwendung und das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien sowie die damit verbundenen Bemühungen anhand der folgenden Definitionen:

– Recycling: Demontage und Wiederverwendung von Batterien
– Wiederverwendung: Nutzung von Batterien in ihrer bestehenden Form

Darüber hinaus beleuchtet dieser Artikel das Batteriepasssystem der Europäischen Union (EU), das 2024 eingeführt werden soll, und die Schutzvorrichtungen von Dexerials.

Aktuelle Landschaft der Lithium-Ionen-Batterien

Um die Ziele für nachhaltige Entwicklung (SDGs) zu erreichen, werden zunehmend Elektrofahrzeuge und erneuerbare Energiequellen in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Dies führt zu einem starken Anstieg der Nutzung von Lithium-Ionen-Batterien. Um die wertvollen Ressourcen dieser Batterien effizient zu nutzen, rückt Urban Mining in den Fokus. Dabei werden seltene Metalle aus Altbatterien für das Recycling extrahiert und große EV-Batterien für andere Anwendungen wiederverwendet.

In vielen Ländern landen ausrangierte Lithium-Ionen-Batterien derzeit jedoch auf Mülldeponien. In Japan ist ein Recyclingprozess für kleine Batterien bereits weitgehend etabliert. Weltweit liegt die Recyclingquote im Jahr 2022 mit rund 5 % weiterhin niedrig.

Recycling kleiner Lithium-Ionen-Batterien

Für das Recycling gebrauchter kleiner Lithium-Ionen-Batterien sind geeignete Sammelmethoden unerlässlich. In Japan haben viele Gemeinden Regeln für die getrennte Sammlung von Lithium-Ionen-Batterien vom übrigen Abfall erlassen, die spezifische Sammelmethoden und -wege vorschreiben.

Nach der Sammlung werden die Batterien in Vakuumöfen verarbeitet. Anschließend werden Säurelaugung, Lösungsmittelextraktion und Elektrolyse durchgeführt, um seltene Metalle wie Kobalt und Nickel zu extrahieren und zu recyceln. Bei diesen Prozessen ist es wichtig, geeignete Sicherheitsmaßnahmen gegen entzündliche Elektrolytlösungen und die Entstehung schädlicher Gase zu ergreifen.

Lithium wird jedoch meist als Schlacke behandelt, da sein Recycling kaum wirtschaftliche Vorteile bietet. Zudem werden die gewonnenen seltenen Metalle nicht immer wieder als Batteriematerialien verwendet.

Batteriehersteller verbessern die Recyclingeffizienz, indem sie die in Kathoden (positiven Elektroden, aus denen Strom entlädt) enthaltenen Metalle kennzeichnen. Recyclinganlagen sortieren die Altbatterien dann anhand dieser Informationen nach Typ und gewährleisten so eine ordnungsgemäße Verarbeitung. Diese Bemühungen sind wichtig für ein effizienteres Recycling von Batterien und die nachhaltige Nutzung seltener Metalle.

Recycling großer Lithium-Ionen-Batterien

Das Recycling großer Lithium-Ionen-Batterien, wie sie in Elektrofahrzeugen und stationären Speichereinheiten verwendet werden, stellt im Vergleich zu kleineren Batterien besondere Herausforderungen dar. Diese Batterien sind sperrig und schwer, variieren je nach Hersteller und Modell in ihrer Form und verfügen über robuste Gehäuse. Das erhöhte Risiko eines Stromschlags und einer Entzündung erschwert ihren Recyclingprozess zusätzlich.

Recyclingverfahren wie Verbrennung, Säurelösung und Lösungsmittelextraktion können technisch im Recyclingprozess eingesetzt werden, um Kobalt, Nickel und andere Metalle zurückzugewinnen. Die Herausforderungen liegen jedoch darin, die Reinheit und Qualität dieser recycelten Ressourcen sicherzustellen und die Recyclingkosten unter den Rohstoffpreisen zu halten. Insbesondere die Metalle, die als Batteriematerialien wiederverwendet werden sollen, müssen extrem hohe Qualitätsstandards erfüllen.

Darüber hinaus sind die Kosten für die Entwicklung von Recyclingprozessen, Investitionen in Anlagen und den Betrieb von Anlagen erhebliche Faktoren, die die Rentabilität von Recyclingunternehmen beeinträchtigen. Auch die schwankenden Preise für Kobalt und Nickel stellen ein Geschäftsrisiko dar.

Das Recycling großer Lithium-Ionen-Batterien ist für eine nachhaltige Energienutzung unerlässlich. Derzeit wird weltweit intensiv daran geforscht und die wirtschaftliche Rentabilität des Recyclings erkundet. Die Bewältigung technischer und wirtschaftlicher Herausforderungen fördert nicht nur die effektive Ressourcennutzung, sondern trägt auch zu einer nachhaltigen Gesellschaft bei.

Batteriepasssystem in Europa

Mit dem Batteriepass-System, das 2024 eingeführt werden soll, will die Europäische Union (EU) die Transparenz und Rückverfolgbarkeit von Informationen über den gesamten Batterielebenszyklus verbessern. Das System gilt für Industrie- und Elektrofahrzeugbatterien (EV) mit einer Kapazität von über 2 kWh, einschließlich derjenigen, die für den Einsatz innerhalb der EU importiert werden. Es soll Transparenz in jeder Phase gewährleisten – vom Rohstoffabbau und der Herstellung über die Nutzung, das Recycling, die Wiederverwendung bis hin zur endgültigen Entsorgung – indem Informationen über die gesamte Wertschöpfungskette über eine einheitliche digitale Plattform verwaltet werden.

Das System sieht die Kennzeichnung von Batterien mit QR-Codes vor, um sicherzustellen, dass die Passinformationen leicht zugänglich sind. Diese Etiketten ermöglichen es Verbrauchern und entsprechenden Unternehmen, problemlos Informationen zu Batterien zu erhalten.

Die Einzelheiten der aufzuzeichnenden Informationen werden in technischen Regeln dargelegt, die bis 2024 definiert werden sollen. Die aktuellen Überarbeitungsentwürfe sehen die Aufzeichnung der unten aufgeführten Details vor.

◆Informationen, die im Batteriepass erfasst werden müssen
Minen, Herkunft der Materialien, Materialproduzenten, Teilehersteller, Zellhersteller, Modulhersteller, Hersteller des Endprodukts, Gewicht, Zweck, chemische Zusammensetzung (Materialverhältnis usw.), Anteil recycelter Materialien, ID, Typ, Modell, Produktname, Leistung, Haltbarkeit, CO2-Emissionen während der Herstellung, gefährliche Materialien, Zustandsprüfungen der Batterie, Auswirkungen auf die CO2-Emissionen, Erklärung zur Richtlinienkonformität, Bewegung und Sammlung, Informationen zur Sorgfaltspflicht, Eigentumshistorie, CO2-Emissionen über den gesamten Lebenszyklus, Umweltauswirkungen über den gesamten Lebenszyklus
(Quelle: Batteriepass (globalbattery.org))

Etwa 70 % des für die Produktion von Lithium-Ionen-Batterien benötigten Kobalts stammen ausschließlich aus der Demokratischen Republik Kongo, einem Land, das häufig mit Problemen im Zusammenhang mit Kinderarbeit und Sorgfaltspflichten zu kämpfen hat. Einige Analysten sind der Ansicht, dass die europäischen Vorschriften zur Materialherkunft und Sorgfaltspflicht ein strategischer Schritt der europäischen Länder zum eigenen Schutz sind.
(Quelle: Batteriepass: Eine europäische Strategie zur Führung des Elektrofahrzeugmarktes | Bright Innovation (brightinnovation.jp))

Wiederverwendung großer Lithium-Ionen-Batterien

Mit dem weltweiten Wachstum des Marktes für Elektrofahrzeuge (EV) rückt die Wiederverwendung großer Lithium-Ionen-Batterien für EVs zunehmend in den Fokus. EV-Batterien sind jedoch relativ neue Produkte, für die es keine etablierten Recyclingverfahren gibt. Herkömmliche Recyclingverfahren für kleine Batterien stellen bei größeren Batterien technische Herausforderungen dar, beispielsweise Ineffizienzen durch die Verbindung mit Kabelbäumen, Leiterplatten und Kühlkomponenten.

Diese Recyclingschwierigkeiten machen einen kombinierten Ansatz aus Teilrecycling und Wiederverwendung zu einer praktikablen Option. Große Batterien werden voraussichtlich für verschiedene Anwendungen wiederverwendet, darunter für die Energiespeicherung im großen Maßstab und die Notstromversorgung, aber auch für Elektrofahrzeuge und andere Mobilitätsanwendungen.

Tatsächlich geht die EU davon aus, dass über 70 % der Elektrofahrzeugbatterien, die 15 Jahre oder weniger genutzt werden, wiederverwendet und nicht recycelt werden. Trotz ihrer Alterung können diese großen Hochleistungsbatterien noch immer effektiv funktionieren. Sobald Elektrofahrzeuge das Ende ihrer Lebensdauer erreicht haben, können die eingebauten Batterien als Ersatz für andere Elektrofahrzeuge, in Fahrzeugen wie Gabelstaplern oder als stationäre Speicher in Fabriken oder Rechenzentren eingesetzt werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Wiederverwendung als Heimspeicherbatterien.

Allerdings sind Batterien, die über einen längeren Zeitraum verwendet werden, für eine Wiederverwendung zu stark abgenutzt. In vielen Fällen wird das Recyclingpotenzial wiederverwendeter Batterien geprüft.

So hat beispielsweise ein japanischer Automobilhersteller gemeinsam mit einem Partner ein System zur Analyse und Einstufung von aus Elektrofahrzeugen ausgebauten Batteriemodulen entwickelt, um deren Nachhaltigkeit für die Wiederverwendung in Elektrofahrzeugen, stationären Speichern und Backup-Anwendungen sicherzustellen. Diese Batterien halten nach der Abholung 10 bis 15 Jahre – deutlich länger als herkömmliche Bleibatterien für Backup-Anwendungen.

Wie oben beschrieben, wird die Wiederverwendung großer Batterien voraussichtlich eine wichtige Rolle bei der effektiven Nutzung von Batterien und der Verringerung der Umweltbelastung (Abfallreduzierung) spielen.
(Quelle: Nissan gibt EV-Batterien ein zweites Leben | Nissan Stories | Unternehmensinformationswebsite der Nissan Motor Corporation (nissan-global.com))

Notwendigkeit von Schutzvorrichtungen bei der Wiederverwendung von Lithium-Ionen-Batterien

Der Self Control Protector (SCP) von Dexerials für Lithium-Ionen-Akkus ist ein Schutzgerät für Batteriemanagementsysteme (BMS), das die Sicherheit von Lithium-Ionen-Akkus überwacht. Er schaltet Schaltkreise bei Anomalien während des Lade- oder Entladevorgangs ab und gewährleistet so den Schutz des Akkus.

Der SCP fungiert als Sicherung, die Stromkreise physisch trennt. Bei Aktivierung hinterlässt er eine Spur (einen Verlauf) der Abschaltung, die anzeigt, dass die Batterie ein Problem hatte oder eine Gefahr darstellte. Diese Spur verschwindet nicht.

Ein weiteres gängiges Batterieschutzbauteil ist der Feldeffekttransistor (FET), der – ähnlich wie der SCP – Anomalien erkennt und Stromkreise abschaltet. Der Hauptunterschied zum SCP besteht darin, dass der FET die Stromkreise elektrisch trennt, sodass sie sich nach Behebung der Anomalie wieder erholen können.

Stellen Sie sich vor, die Temperatur eines Akkupacks steigt ungewöhnlich stark an. In diesem Fall schaltet der FET den Stromkreis ab. Da kein Strom mehr durch den Stromkreis fließt, sinkt die Temperatur allmählich unter den ungewöhnlichen Schwellenwert.

Sobald die Störung behoben ist, stellt der FET den Schaltkreis wieder her. Sowohl das Abschalten als auch die Wiederherstellung sind für den FET normale Vorgänge. Selbst wenn eine Zelle beschädigt ist, hinterlässt der FET keine Spuren einer Störung.

Neue Lithium-Ionen-Akkus (vor dem Recycling oder der Wiederverwendung) werden als Akkus der ersten Generation bezeichnet. Diverse elektronische Geräte, darunter Laptops, Elektrowerkzeuge, E-Bikes und Drohnen, nutzen diese Akkus der ersten Generation. Bei der Wiederverwendung von Akkus der ersten Generation mit SCPs (Self-Conditioning Protection) kann sichergestellt werden, dass die einzelnen Zellen keinen Bedingungen ausgesetzt waren, die die Akkus stark beeinträchtigen könnten, wie z. B. Überladung oder Tiefentladung, und somit keine Gefahr darstellen.

Die zweite Batteriegeneration besteht aus wiederverwendeten Batterien. Die Geschichte der einzelnen Zellen ist entscheidend für die Sicherheit. Betrachten wir beispielsweise ein Auto: Aus Sicherheitsgründen ist es riskant, kritische Komponenten aus einem Auto mit unbekannter Unfall- und Reparaturhistorie wiederzuverwenden. Bei der Wiederverwendung von Komponenten ist es wichtig, deren Hintergründe zu verstehen.

Bei Batteriepacks in Energiespeichern hat die Gewährleistung der Sicherheit höchste Priorität. Wiederverwendete Lithium-Ionen-Batterien müssen mit neuen Schutzvorrichtungen ausgestattet werden. Darüber hinaus besteht erhebliches Potenzial darin, den Einsatz von Schutzvorrichtungen in Batterien der ersten Generation zu fördern, die nach ihrer Stilllegung wiederverwendet werden können.

Es gibt bereits mehrere Fälle, in denen der Selbstkontrollschutz (SCP) von Dexerials bei wiederverwendeten Lithium-Ionen-Akkus zum Einsatz kommt. Dieser Trend dürfte sich weiter verstärken. Mit der Etablierung des Recyclingprozesses für Lithium-Ionen-Akkus und der Einführung von Akkus aus Recyclingmaterialien wird es entscheidend sein, diese mit Schutzvorrichtungen auszustatten, um die Sicherheit zu gewährleisten.

Dexerials ist bestrebt, auch künftig die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien zu gewährleisten, das Wachstum des Batteriemarktes und breitere Anwendungsmöglichkeiten zu unterstützen und so eine wohlhabende und nachhaltige Gesellschaft zu ermöglichen.