Phasen der Batterielebensdauer
Entwicklung
Die Zellchemie ist ein Rezept, und die Zutaten des Kuchens (die Lithium-Ionen-Batteriezelle) bestehen aus den vier Komponenten: Kathode, Anode, Separator und Batterieelektrolyt. Die Kathode, oder der positive Pol, wird derzeit aus einer Kombination von Materialien hergestellt, zu denen üblicherweise Lithium, Nickel, Mangan, Kobalt und Aluminium gehören. Die Anode, oder der negative Pol, wird normalerweise aus Graphit hergestellt. Diese Ressourcen sind auf fast allen Kontinenten rund um den Globus verstreut, einschließlich niederschlagsarmer Regionen in Entwicklungsländern.
Die folgenden Grafiken zeigen die wichtigsten Lithium- und Kobaltproduktionen, Reserven und Ressourcenstandorte aus dem Jahr 2016. Der Abbau in vieler dieser trockenen Regionen führt zu Konflikten zwischen Umweltschützern, der lokalen Bevölkerung und den Minenbetreibern aufgrund des großen Wasserbedarfs bei der Gewinnung von Lithium. Unabhängig davon müssen sich Unternehmen die Frage stellen, wie verantwortungsvoll und nachhaltig ihre Rohstofflieferketten sind. Dieser anhaltende Konflikt ist etwas, das gelöst werden muss, wenn unsere Gesellschaft erfolgreich auf eine vollelektrische Zukunft umsteigen will, die nicht auf fossile Brennstoffe angewiesen ist.
Vor kurzem hat der große Automobilhersteller BMW seine Prozesse zur Ressourcengewinnung neu strukturiert, um der ethischen Beschaffung von Materialien unter Berücksichtigung von Menschenrechten und Umweltstandards höchste Priorität einzuräumen. Die langjährige Partnerschaft von LION Smart mit BMW stellt sicher, dass die an unsere Kunden gelieferten Batterien so nachhaltig wie möglich über die BMW-Lieferketten bezogen werden.
Wichtigste Lithium-Primärproduktion, Reserven und Ressourcen im Jahr 2016. Trotz einer weltweiten Reserve von 94 Millionen Tonnen halten technische und ökologische Herausforderungen beim Abbau diese Ressource in geringem Umfang verfügbar. Quelle: USGS, European Comission.
Derzeit finden über 80 % der Rohstoffveredelung und 60 % der weltweiten Fertigung von Batteriezellenkomponenten in China statt. Japan und Korea sind ebenfalls wichtige Akteure bei der Herstellung von Batteriezellen, aber Zukunftsprognosen zeigen, dass Nordamerika und Europa in den nächsten 5-10 Jahren stark in diese Bereiche investieren werden. In Deutschland, wo LION Smart tätig ist, fährt die Regierung die heimische Batterieproduktion und -forschung mit mehr als 1,5 Milliarden Euro an Subventionen und Investitionen hoch.
Der überwiegende Teil des Rohstoffabbaus und der Komponentenfertigung findet derzeit in Asien statt. Quelle: BloombergNEF
Fahrzeugnutzung
Die beste Reichweite für neue Elektrofahrzeuge liegt bereits bei über 600 km mit einer Ladung und diese Reichweite steigt weiter, da die Batterietechnologie immer effizienter wird. Die Lebensdauer einer Autobatterie hängt in hohem Maße von der Nutzung und dem Verhalten des Fahrers ab. Die Verwendung eines Schnellladegeräts für Autobatterien belastet die Batterien beispielsweise stärker als ein herkömmliches Autoladegerät und reduziert die Gesamtladekapazität langfristig viel schneller. Zusätzlich sind die Anzahl der Ladezyklen, der Entladegrad, die Umgebungstemperatur und das Alter der Batterie wichtige Faktoren, die die Lebensdauer der Batterie beeinflussen können.
Zweitleben
Eine EV-Batterie erfüllt nicht mehr die Anforderungen falls die Energiekapazität auf 70 – 80 % sinkt. Das bedeutet jedoch nicht, dass sie keinen Zweck mehr erfüllen. Nach dem Einsatz in Elektrofahrzeugen bekommen viele Batteriemodule eine zweite Chance in Bezug auf die Stromnetze der Verbraucher – eine neue Bestimmung als stationäre Energiespeicher. Die kumulierte Leistung aus diesen Zellen steht innerhalb von Sekunden zur Verfügung und hält das Stromnetz stabil. Während des Tages (und der Nacht) basiert die ins Netz eingespeiste Strommenge auf dem geschätzten Bedarf aller Verbraucher. Dazu wird alle 15 Minuten eine Prognose erstellt und ermittelt, welche Stromerzeugungsanlagen den Bedarf decken können. Meistens wird die Erzeugung aus Wind- und Sonnenenergie priorisiert, was aber wetterabhängig und daher nicht zu 100 % vorhersehbar ist. Ist aufgrund von Produktions- oder Nachfrageschwankungen zu viel Strom im Netz, speichern Batterien den Überschuss. Kommt es zu einer Stromknappheit, liefern die Batterien den Strom. Alte Elektrofahrzeugbatterien könnten für ein Jahrzehnt oder länger in dieser weniger anspruchsvollen Rolle arbeiten, und es gibt eine wachsende Zahl von Unternehmen, die in die Forschung im Zusammenhang mit der Umwandlung von EV-Batterien in stationäre Speicheranwendungen investieren.
Recycling
Bis 2030 wird erwartet, dass die Menge an gebrauchten Lithium-Ionen-Batterien die schwindelerregende Menge von 200 Millionen Tonnen pro Jahr erreichen wird. Derzeit landen die meisten Akkus auf einer Mülldeponie, aber sie enthalten wertvolle Metalle, die zurückgewonnen und bei der Herstellung neuer Batterien wiederverwendet werden können. Die Recyclingraten in der EU und den USA liegen nur bei etwa 5 %, und diese Zahl muss drastisch steigen, wenn die Gesellschaft der drohenden Rohstoffknappheit für die Zellproduktion begegnen will. Das Batterierecycling birgt das Potenzial für eine noch größere Kosteneffizienz als der Bergbau, wenn die Technologie dafür optimiert werden kann.
Es scheint mehrere Verfahren für das Recycling von Li-Ionen-Batterien zu geben – welche sind für Autobatterien am relevantesten und warum?
Recyclingprozesse für Li-Ionen-Batterien können in drei Haupttypen unterteilt werden: Pyrometallurgie, Hydrometallurgie und mechanische Zerkleinerung. Bei der Pyrometallurgie, dem gängigsten Verfahren, werden die Batterien verbrannt, um Kunststoffe und organische Materialien zu entfernen, wobei jedoch nur ein Bruchteil des ursprünglichen Materials übrig bleibt. Bei der Hydrometallurgie werden die Lithium-Ionen-Zellen in starken Säuren eingeweicht, um die Metalle in eine Lösung aufzulösen, die anschließend extrahiert werden kann. Die nwest-Prozesse mit mechanischer Zerkleinerung basieren fast ausschließlich auf Schreddern und Materialtrennung, weil sie wesentlich kostengünstiger in der Einrichtung, viel weniger energieintensiv und mit höheren Recycling-Wirkungsgraden verbunden sind. In einer Zerkleinerungsmaschine werden die Batteriezellen als Rohmaterial von Hand bis auf ihre Kleinteile zerlegt. Anschließend werden das Aluminium, das Elektrodenmaterial und die Separatormembran in einem speziellen Shredder in winzige Fragmente zermahlen. Der Shredder wird durch den von der Batterie abgeleiteten Strom angetrieben und kann bis zu 500 kg Material pro Stunde zerkleinern.
Gibt es Unterschiede beim Recycling von Autobatterien und Smartphone-Akkus?
Das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien ist gleich, egal ob es sich um tragbare Anwendungen oder Automobilanwendungen handelt. Im Grunde genommen bestehen Autobatterien aus kleineren Zellen, diese können zylindrisch (das gleiche Format wie die Zellen in Laptops und Tesla-Fahrzeugen), beutelartig oder prismatisch sein. Die Zellen sind in Modulen gruppiert und die Module werden zu einem Batteriepack kombiniert. Die Zellen und Module werden in Reihe und/oder parallel gruppiert, um den Strom und die Spannung zu erhöhen, so dass mehr Leistung aus der Batterie entnommen werden kann. Beim Recycling von Autobatterien werden die Packs entladen und in Module oder Zellen zerlegt, bevor sie verarbeitet werden.
Bei BMW, dem langjährigen Partner von LION Smart, mischt ein Laborant Elektrodenpaste in einem Forschungszentrum in München. Quelle: BMW
Könnten sich Änderungen in der Chemie von Lithium-Ionen-Batterien in Zukunft signifikant auf deren Recyclingfähigkeit auswirken?
Eine Reihe verschiedener Forschungsprojekte sind in der Entwicklung, wie z.B. Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien, Natrium-Ionen-Batterien oder die geringfügige Änderung der chemischen Zusammensetzung der bestehenden Chemie, indem eine geringere Menge eines Metalls und mehr eines anderen verwendet wird (z.B. Ersetzen von Kobalt durch Nickel oder Mangan). In allen Fällen ist der wichtigste Faktor, der die Wiederverwertbarkeit bestimmt, der Wert der Metalle, die in den Batterien enthalten sind. Ironischerweise wird die Entwicklung hin zu Batterien mit billigeren Metallen dazu führen, dass sie weniger recycelbar sind, weil die Arbeit, die für das Recycling der Metalle erforderlich ist, mehr kostet als der Wert des Metalls selbst. In einigen Fällen, wie z. B. bei Lithium-Ionen-Batterien, könnte die Rentabilität der Recycler steigen, weil Batterien ohne den brennbaren Elektrolyten viel sicherer zu verarbeiten und daher billiger zu recyceln sind.
Authors:
Anna Kilischekow
Wade Million
