Rohstoffquelle statt Sondermüll

Damit Recyclinganlagen überhaupt sicher und wirtschaftlich arbeiten können, müssen die Batterien zunächst kontrolliert und risikofrei in den Prozess überführt werden. Eine zentrale Voraussetzung dafür ist eine präzise messtechnische Überwachung bereits in der Vorbehandlung. Denn Lithium-Ionen-Batterien gelten aufgrund ihrer hohen Energiedichte als potenziell gefährlich – insbesondere, wenn sie beschädigt, tiefentladen oder thermisch instabil sind. Der erste Schritt ist daher die sichere Inaktivierung der Altbatterien. Bei Industrieanwendungen wie USV-Systemen, fahrerlosen Transportsystemen oder Traktionsbatterien kommt es dabei auf eine kontrollierte Entladung unter definierten Umgebungsbedingungen an. In einem Logistikunternehmen etwa erfolgt dieser Schritt in einem geschlossenen Entladebereich unter Stickstoffatmosphäre. Hier übernehmen Druck-, Temperatur- und Sauerstoffsensoren die Überwachung kritischer Betriebsgrößen in Echtzeit. Sobald Grenzwerte überschritten werden – etwa ein plötzlicher Temperaturanstieg durch interne Zellreaktionen – kann das System automatisch eingreifen, etwa durch Absperren, Spülen oder Alarmierung. Auch die kontinuierliche Analyse der Gaskonzentrationen im Raum dient der Früherkennung möglicher Gefahren, beispielsweise durch austretende Elektrolytdämpfe.

Zerkleinerung und Sortierung

Nach der Entladung folgt die mechanische Zerkleinerung. Damit dieser Prozess effizient und störungsfrei abläuft, sind durchgängige Überwachungssysteme erforderlich. Füllstandsensoren in Beschickungsbehältern sorgen dafür, dass Förderanlagen gleichmäßig arbeiten, ohne zu überfüllen oder leerzulaufen. Danach stehen zwei Hauptwege für die Rückgewinnung der Inhaltsstoffe zur Verfügung: das pyrometallurgische und das hydrometallurgische Verfahren.

Beim pyrometallurgischen Recycling werden zerkleinerte Batteriereste bei Temperaturen über 1.500 °C geschmolzen. Metalle wie Kobalt, Nickel und Kupfer bleiben in der Schlacke zurück, während organische Bestandteile verbrennen. Die Methode ist besonders robust gegenüber unterschiedlich zusammengesetzten Materialströmen, aber sehr energieintensiv. Eine präzise Prozessführung ist daher entscheidend. Durch den Einsatz genauer Temperatur- und Druckmessung sowie die regelbare Steuerung der Sauerstoffzufuhr mithilfe von Durchflussmessern lassen sich der Energieverbrauch um bis zu 10 % senken und die Emissionen spürbar reduzieren.

Hydrometallurgie: Komplexität im Griff mit Sensortechnik

Das hydrometallurgische Verfahren hingegen setzt auf chemische Extraktionsprozesse, um wertvolle Metalle selektiv aus der sogenannten schwarzen Masse zu gewinnen. Im Vergleich zum pyrometallurgischen Recycling bietet diese Methode eine höhere Rückgewinnungsrate der Einzelkomponenten und verbraucht insgesamt weniger Energie. Allerdings bringt dieses Verfahren weitere Prozessschritte mit sich. Nach der mechanischen Zerkleinerung wird zuerst aufgetrennt und sortiert. Es werden zwei Hauptfraktionen gebildet. Als erste Fraktion eine trockene aus Metall- und Kunststoffstücken, die sortenrein sortiert werden können und direkt in den Materialkreislauf zurückgeführt werden können. Als zweite Fraktion entsteht eine feuchte, tiefschwarze Masse, bestehend aus den ehemals aktiven Batteriematerialien und flüssigen Komponenten wie dem Elektrolyten. Die Trocknung geschieht über eine Filterpresse oder durch Unterdruck. Der abgetrennte Elektrolyt lässt sich ebenfalls direkt wieder in den Materialkreislauf zurückführen.

Die daraus entstandene trockene schwarze Masse wird in chemischen Laugungsprozessen und Fällungsprozessen aufgetrennt. Der Einsatz chemischer Lösungen bringt jedoch neue Herausforderungen mit sich. Ein entscheidender Faktor für effiziente Laugungsprozesse ist die präzise Dosierung und Kontrolle der eingesetzten Chemikalien, da aggressive Säuren zur Metalllösung und Fällungsreagenzien zur Produktgewinnung verwendet werden. Die zuverlässige Erfassung von pH-Wert, Leitfähigkeit, Durchfluss und Temperatur stellt stabile Prozessbedingungen sicher und trägt maßgeblich zur Selektivität und Qualität der Rohstoffrückgewinnung sowie zum sparsamen Ressourceneinsatz bei.

Am Ende des hydrometallurgischen Verfahrens stehen entweder sortenreine Produkte oder definierte Mischungen, die sich direkt in der Produktion neuer Lithium-Ionen-Akkus verwenden lassen.

Den Kreis für Batterien und Akkus schließen

Um eine echte Kreislaufwirtschaft für Batterien und Akkus zu erreichen, den sogenannten "closed loop", sollten die in der Batterieherstellung verwendeten Aktivmaterialien, Kunststoffe und Metallfolien nahezu vollständig zurückgewonnen werden. Der gesamte Recyclingprozess lässt sich durch ein Umdenken bei der Konzeption, Verwendung und Entsorgung von Batterien vereinfachen. Von Vorteil wäre beispielsweise die Einführung eines Batteriepasses, der dem Recyclingunternehmen die Zusammensetzung des Akkus verrät, oder auch Standards für die Bauform. Ein nachhaltiges Batteriemanagement ist eine wichtige Voraussetzung für die Einrichtung eines Systems mit geschlossenen Kreisläufen mit Maximierung der Weiterverwendung wertvoller Ressourcen.

Trotz der raschen Fortschritte sowohl beim Prozess als auch bei den damit verbundenen Technologien sind noch Herausforderungen zu bewältigen. Durch kontinuierliche Innovation und Zusammenarbeit baut die Branche jedoch zunehmend Systeme mit geschlossenen Kreisläufen auf, die die Wertschöpfung von gebrauchten Batterien maximieren.

Dr. rer. nat. Dustin Kubas, Product Manager Sales Marketing bei Endress+Hauser