Recycling von Lithiumbatterien und Treibhausgasemissionen

Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) werden heute in Mobiltelefonen, Laptops und Elektrofahrzeugen (EVs) verwendet, da sie im Vergleich zu anderen elektrischen Energiespeichersystemen einen hohen Energiegehalt pro Masseneinheit aufweisen. Sie verfügen außerdem über ein hohes Leistungsgewicht, sind energieeffizient, beständig bei hohen Temperaturen und weisen eine geringe Selbstentladung auf. Die meisten der heutigen vollelektrischen Fahrzeuge und Plug-in-Hybridfahrzeuge (PHEVs) verwenden Lithium-Ionen-Batterien. Die genaue chemische Zusammensetzung dieser Batterien unterscheidet sich häufig von der in der Unterhaltungselektronik verwendeten. Die aktuellen Herausforderungen für diese Branche drehen sich um die Senkung ihrer relativ hohen Kosten (aufgrund des begrenzten Angebots), die Verlängerung ihrer Lebensdauer und die Lösung von Sicherheitsbedenken hinsichtlich einer Überhitzung, die zu Explosionen führen kann. Daher werden neue Lösungen für das Recycling und die Wiederverwendung der in LIBs verwendeten Materialien benötigt. Die meisten Komponenten von LIBs können recycelt werden, aber die Kosten der Materialrückgewinnung stellen für die Branche weiterhin eine Herausforderung dar. Daher werden neue Lösungen benötigt. 

LIB-Anwendungen werden häufig als „emissionsfrei“ bezeichnet. Dabei werden jedoch die Emissionen der Lieferkette, die in den Beschaffungs- und Produktionsphasen entstehen, außer Acht gelassen. LIB sind einer der Hauptverursacher von Treibhausgasemissionen bei der Herstellung von Elektrofahrzeugen. In diesem Fall wird das Recycling von LIB empfohlen, um den Energieverbrauch zu senken, die Treibhausgasemissionen zu verringern und erhebliche Abfalleinsparungen zu erzielen. Darüber hinaus hat die beschleunigte Produktion von LIB im Rahmen sauberer Energietechnologien zu einer starken Nachfrage nach Mineralien wie Lithium (Li), Kobalt (Co) und Mangan (Mn) geführt. Die verbrauchten LIB könnten als sekundäre Quelle dieser Mineralien betrachtet werden. Es ist von entscheidender Bedeutung, einen umweltverträglichen Weg zu finden, diese Mineralien aus Abfällen zurückzugewinnen. Die zunehmende Beliebtheit von Elektrofahrzeugen hat zu einem Anstieg der Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien geführt, die zum Antrieb dieser Fahrzeuge verwendet werden. In den USA wird der Anteil der Elektrofahrzeuge an allen verkauften Autos bis 2030 voraussichtlich von 51 auf 251 TP3T steigen. Da die Zahl der Elektrofahrzeuge auf den Straßen weiter zunimmt, steigt auch der Bedarf an einem effizienten und effektiven Recycling ihrer Batterien. 

Das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien kann zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen beitragen, da weniger Energie für die Herstellung neuer Batterien benötigt wird und kein gefährlicher Stoff in die Umwelt gelangt. In diesem Artikel wird erläutert, wie das Recycling von Batterien zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen beitragen kann und welche Schritte unternommen werden können, um sicherzustellen, dass diese Batterien ordnungsgemäß recycelt werden.

Die Herstellung von LIBs erfordert eine erhebliche Menge an Energie, die normalerweise durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Kohle oder Erdgas erzeugt wird. Dieser Prozess setzt große Mengen an Treibhausgasen in die Atmosphäre frei und trägt zum Klimawandel bei. Indem wir Batterien recyceln, anstatt neue herzustellen, können wir den für die Produktion benötigten Energiebedarf und damit die Treibhausgasemissionen senken. Das Recycling von LIBs trägt dazu bei, zu verhindern, dass gefährliche Stoffe wie Blei und Cadmium in die Umwelt gelangen. Diese Stoffe können giftig sein, wenn sie in Wasser- oder Bodensysteme gelangen, daher müssen sie ordnungsgemäß recycelt werden. Es gibt mehrere Schritte, um EV-Batterien ordnungsgemäß und effizient zu recyceln. Erstens sollten Hersteller ihre Produkte im Hinblick auf die Recyclingfähigkeit entwickeln und Materialien verwenden, die leicht zu trennen und zu recyceln sind. Dies erleichtert den Recyclern die Verarbeitung der Materialien ohne zusätzlichen Energie- oder Ressourcenverbrauch. Darüber hinaus sollten Hersteller klare Anweisungen geben, wie Verbraucher ihre gebrauchten EV-Batterien entsorgen sollen, damit sie ordnungsgemäß recycelt werden können. 

Es gibt drei Recyclingmethoden für LIBs: Pyrometallurgie, Hydrometallurgieund direkte physikalische Recyclingmethoden von EV-Batterien. Die Kohlenstoffemissionen von Pyrometallurgie, Hydrometallurgie, und direkte physikalische Recyclingmethoden werden in mehreren Studien berechnet.

Pyrometallurgischer Recyclingprozess:

1. Der Kohlenstoffausstoß des pyrometallurgischen Recyclingprozesses beträgt 5,11 kg CO₂-Äq/kWh.
2. Bei dem Verfahren handelt es sich um Hochtemperaturschmelzbatterien mit einer Temperatur von über 1000 °C.
3. Die Treibhausgasemissionen entstehen durch den Energieverbrauch fossiler Brennstoffe im metallurgischen Prozess.
4. Der Graphit in der Anode kann nicht pyrometallurgisch recycelt werden. Pyrolyse von Graphit in einer Hochtemperaturumgebung erzeugt Treibhausgasemissionen. 
5. Hoher wirtschaftlicher Wert, aber geringer ökologischer Wert. 

Hydrometallurgischer Recyclingprozess: 

1. Die Treibhausgasemissionen der Hydrometallurgie betragen 2,68 kg CO₂-eq/kWh, was 47,61 TP3T niedriger ist als bei der Pyrometallurgie. 
2. Bei der Hydrometallurgie werden zehn wichtige Schritte der chemischen Behandlung unter Niedertemperaturbedingungen durchgeführt, ohne dass dabei hoher Energieverbrauch oder hohe Kohlenstoffemissionen entstehen.
3. Bei dem Verfahren entstehen allerdings erhebliche Mengen giftiger Gase und Abfalllösungen. 

Direktes physisches Recycling

• Der Kohlenstoffausstoß der direkten physikalischen Recyclingmethode beträgt 3,65 kg CO₂-Äq/kWh.
• Da es sich bei den Produkten des direkten physischen Recyclings um Materialien handelt, die direkt in der Batterieproduktion verwendet werden können, werden die komplizierten Schritte der Materialreproduktion und die Sekundärverschmutzung reduziert. 
• Das im Reparaturprozess verwendete nickelreiche Material, wie Ni_0.83Mn_0.09Co_0.08(OH)₂, Ni(OH)₂oder Lithiumverbindungen wie LiOH–Li₂ALSO₄ verwendet in der Wärmebehandlungsprozessund Energieverbrauch sind die Hauptquellen der Kohlenstoffemissionen.

Vergleich der Treibhausgas-Emissionsreduzierung mit nicht zyklischen Batterien

Obwohl beim Recycling von LIBs Kohlenstoffemissionen entstehen, können die recycelten Materialien direkt zur Herstellung von Batterien verwendet werden, wodurch die Kohlenstoffemissionen vermieden werden, die durch den Abbau und die Verarbeitung von Rohstoffen entstehen. Daher schätzen Ingenieure, wie hoch die Treibhausgas-Emissionsreduzierung bei LIBs im Vergleich zu Neubatterien ist.

Treibhausgasemissionen bei der Wiederaufbereitung von Batterien mit recycelten Materialien durch

• Pyrometallurgie ist 86,86 kg CO₂-eq/kWh, was 4,81 TP3T niedriger ist als bei aus Rohmaterialien hergestellten Batterien. 
• Hydrometallurgisch sind 60,77 kg CO₂-eq/kWh, was um 33,471 TP3T niedriger ist als bei Batterien, die aus Rohstoffen hergestellt werden. 
• Das direkte physische Recycling beträgt 43,92 kg CO₂-eq/kWh, was 51,81 TP3T weniger ist als bei Verwendung von Rohmaterialien. Allerdings ist die Methode des physikalischen Recyclings technologisch noch nicht ausgereift und befindet sich noch in der Phase kleinmaßstäblicher Experimente. Die Entwicklung effizienter und ausgereifter physikalischer Recyclingmethoden für großmaßstäbliche Anwendungen ist für die Reduzierung der Kohlenstoffemissionen von entscheidender Bedeutung.