Batterie-Recycling: So müssen die Rohstoffe aus E-Auto-Akkus verwertet werden

Noch ist die Menge an Akkus, die zum Recycling anstehen, relativ klein, weil die meisten Fahrzeugbatterien noch im Einsatz sind. Doch der Bedarf an einer besseren Akkuverwer­tung wächst.

Zudem schreibt der Gesetzgeber mit rigorosen Vorgaben den Herstellern eine immer höhere Recyclingquote vor. Angefangen mit der Haltbarkeit: Die neue Abgasnorm Euro 7 wird eine Mindesthaltbarkeit von Elektroauto-Batterien vorschreiben. Voraussichtlich ab 2027 wird dann erwartet, dass jeder Akku nach acht Jahren bzw. 160.000 Kilometern noch mindestens 70 Prozent seiner ursprünglichen Ladekapazität besitzt.

Wird der Akku aber aussortiert, sieht die EU neben strengen Sammelzielen für Altbatterien auch ein weitestgehendes Recycling der Rohstoffe vor. Vom eingesetzten Lithium sollen bis 2027 mindestens 50 Prozent wiederverwertet werden, bis 2031 zu 80 Prozent. Was an Kupfer, Kobalt und Nickel verbaut wurde, muss bis 2027 zu 90 Prozent recycelt werden und bis 2031 sogar zu 95 Prozent – so sieht es die neueste EU-Richtlinie vom 14. Juni 2023 vor. Letzteres gilt auch für Blei.

Grundsätzlich verläuft der Akku-Kreislauf in drei Schritten: Repair, Reuse, Recycling (Re­paratur, Weiter­verwendung und Wiederaufarbeitung). Laut der neuen EU-Batterieverordnung beträgt die Verwertungsquote künftig 90 Prozent (ab 2031 sogar 95 Prozent). Momentan werden vor allem Alu, Stahl und Kunststoffe zurück­gewonnen, künftig sollen auch weitere Materialien recycelt wer­den.

Und: Neu produzierte Batterien müssen schon bald einen Mindestanteil von Recyclingmaterial enthalten. Außerdem ist die Akku-Lebens­dauer seitens der Hersteller genau zu berechnen und transparent zu machen.

Vor allem kritische Roh­stoffe, die unter diskutablen Bedingungen gewonnen werden, stehen im Recycling-Fo­kus. So stecken in einer typischen An­triebsbatterie mit 50 Kilowattstun­den (kWh) Kapazität rund vier bis acht Kilogramm Lithium, elf Kilo­gramm Mangan, jeweils zwölf Kilogramm Kobalt und Nickel sowie 33 Kilogramm Grafit.  

Bevor ein ausgemusterter Auto-Akku, dessen Kapazität nach vielen Ladezyklen geschrumpft ist, zerlegt wird, kann er noch ein zweites Leben (Second Life) im Stationärbetrieb bekommen. Nach zehn Jahren Betrieb und etwa 160.000 Kilometern hat er in der Regel noch immer 70 bis 80 Prozent seiner ursprünglichen Kapazität. In der schonenden Se­cond-Life-Verwendung können Akkus weitere zehn bis zwölf Jahre eingesetzt werden; das Akku-Recy­cling startet demnach erst nach 20 Jahren Einsatz.  

Aber schon jetzt bringen sich Unternehmen dafür in Stellung. Kein Wunder: Die fürs Recycling benötigte Infrastruktur erfordert laut dem Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsfor­schung Investitionen in Höhe von mehr als sechs Milliarden Euro bis 2040.

Die Bosch-Tochter Rexroth etwa hat gerade eine Technik vorge­stellt, bei der eine automatisierte Entladung der Batteriezellen Re­cycling-Effizienz und -Sicherheit erhöhen soll. Eine Pilotanlage ent­steht bei der Battery Lifecycle Company in Magdeburg. Hier sollen gebrauchte Batte­rien unterschiedlicher Hersteller geprüft, tiefentladen und für das anschließende Schreddern vorbe­reitet werden.

In we­niger als 15 Minuten lassen sich acht Lithium-Ionen-Akkus von Elektroautos automatisiert entla­den. Die Anlage erkennt nicht nur unterschiedliche Batterie-Baufor­men, sondern kann auch Kurz­schlüsse und Brände verhindern. Größter Vorteil: Die Weiterver­arbeitung kann spannungslos er­folgen. Beim sonst üblichen ma­nuellen Verfahren dauert es bis zu 24 Stunden, ehe die Akkus tiefent­laden sind.

Der weitere Recycling­prozess ist aufwendig: Nach der manuellen Demontage der Batte­riesysteme folgt das Sortieren und Schreddern. Über Siebe und Magnete werden die einzelnen Bestandteile voneinander getrennt. Mithilfe chemischer Reaktio­nen, bei denen die Stoffe in wäss­rigen Lösungen durch Zugabe von Chemikalien herausgelöst werden (Hydrometallurgie), lässt sich so­genannte Schwarzmasse gewin­nen. Sie enthält begehrte Stoffe wie Grafit, Mangan, Nickel, Kobalt und Lithium.

Der bislang gängigste Ansatz ist die thermische Verwertung. In der Regel werden die geschredderten Akkus eingeschmolzen. Es entsteht eine dunkle, zähe Masse, die sinnigerweise Schwarzmasse genannt wird. Das bislang übliche, weniger effiziente und umweltschädliche Verfahren, das thermische Auf­schmelzen (Pyrometallurgie), ist dagegen auf dem Rückzug. Um sich die unterschiedlichen Siede­punkte der Inhaltsstoffe zunutze zu machen, braucht es Tempera­turen von bis zu 1450 Grad. Mit anderen Worten: Die Masse aus den Bestandteilen Kobalt, Nickel, Lithium und Kupfer bestehende Masse wird verbrannt. In verschiedenen Verfahren werden die Rohstoffe danach weiter getrennt.

Im pyro-metallurgisch ablaufenden Prozess bleiben immerhin mehr als 95 Prozent des eingesetzten Kobalts, Kupfer und Nickels übrig, so schreibt das Recyclingunternehmen Umicore, das diesen Weg beschreitet. Mithilfe chemischer Prozesse werden die Rohstoffe dann getrennt. Dabei gibt es unterschiedliche Verfahren, die in der Regel mit hohem Energieaufwand einhergehen.

Um noch umweltfreundlicher und weitergehend zu recyclen, gibt es zwei weitere Ansätze, die allerdings noch erforscht werden: Die Rice Universität aus Houston, US-Bundesstaat Texas, arbeitet am System des Flash Joule Heatings. Bei diesem Verfahren wird die Schwarzmasse binnen Sekunden auf 1800 Grad Celsius erhitzt, wobei die Rohstoffe unter Einsatz von Säure herausgelöst werden. Das Verfahren soll erlauben, 98 Prozent der Rohstoffe wiederzuverwerten.

Einen ähnlichen Recyclinggrad erreichten Forschende der Chalmers Universität in Schweden durch den Verzicht auf anorganische Säuren. Indem Oxalsäure genutzt wird, eine Substanz aus dem Pflanzenreich, die beispielsweise in Spinat vorkommt, erlaubt das eine bessere Energieeffizienz und die Rückgewinnung fast aller Rohstoffe: Das Aluminium wird vollständig recycelt, Lithium zu 98 Prozent. Minimiert wird auch der Verlust an Nickel, Kobalt und Mangan.

Neben Batterieherstellern und Recycling-Unternehmen haben auch die Autobauer selbst das Thema im Blick. Hier ein Überblick über die Bemühungen zur Wiederverwertung von E-Auto-Akkus:

Mit den EU-Vorgaben im Blick, ist der Multi-Marken-Autokonzern Stellantis eine Kooperation mit dem Recycling-Unternehmen Orano eingegangen, um gebrauchte Akkus von E-Autos in großem Stil zu recyclen. Entsprechende Giga-Factorys sollen in Europa und Nordamerika entstehen. Eines dieser Werke soll an dem Orano-Standort in Dünkirchen angesiedelt werden. In der französischen Stadt wird mithilfe von neuesten hydrometallurgischen Verfahren eine Recyclingquote von Lithium-Ionen-Akkus jenseits von 90 Prozent angepeilt. Auch werden neue Materialien für Kathoden erprobt.  

Volkswagen hat an seinem Standort in Salzgitter (Niedersachsen) eine Anlage für das Recycling von Hochvoltbatterien eröffnet. Hier sollen so wertvolle Rohstoffe wie Lithium, Nickel, Mangan und Kobalt in einem geschlossenen Kreislauf zurückgewonnen werden. Selbst für Aluminium, Kupfer oder Kunststoff soll die Wiederverwertungs-Quote mittelfristig bei über 90 Prozent liegen. Dabei werden hier nur Akkupakete recycelt, die nicht mehr einer sinnvollen Zweitverwertung zugeführt werden können.

Im ersten Schritt ist die Salzgitter-Anlage darauf ausgelegt, bis zu 3600 Batteriesysteme im Jahr zu recyceln – das entspricht rund 1500 Tonnen Material. Später kann das System mit optimierten Verfahren auf größere Mengen skaliert werden. "Die Volkswagen Group Components realisiert damit einen weiteren Schritt ihrer nachhaltigen End-to-End-Verantwortung für die Batterie als Schlüsselkomponente der Elektromobilität", sagt Volkswagen-Vorstand Thomas Schmall.

Mit Blick auf die mittelfristig rücklaufenden Batteriesysteme aus Elektrofahrzeugen baut Mercedes in Kuppenheim südlich von Karlsruhe eine eigene Batterierecyclingfabrik auf Basis der Hydrometallurgie in Deutschland mit 2500 Tonnen Kapazität. Analog dieser Technologie plant das Unternehmen, gemeinsam mit Hightech-Partnern für das Batterierecycling in China und den USA einen geschlossenen Wertstoffkreislauf darzustellen.

Mercedes-Produktionsvorstand Jörg Burzer: "Das nachhaltige Batterierecycling ist ein wesentlicher Faktor – und zwar weltweit. Mit unserer neuen Recyclingfabrik am Standort Kuppenheim steigern wir die Recyclingquote auf mehr als 96 Prozent und bauen unsere eigenen Kompetenzen im Bereich der Batteriewertschöpfung konsequent aus."

Die Pilotanlage soll eine Jahreskapazität von 2500 Tonnen umfassen. Die zurückgewonnenen Materialien werden in den Wertstoffkreislauf zurückgeführt und fließen so in die Produktion von mehr als 50.000 Batteriemodulen für neue Mercedes-EQ Modelle ein. 

Schon jetzt betreibt BMW im Werk Leipzig einen Speicher mit 700 zusammengeschalteten Batterien aus i3-Modellen, der im Second Life die Energie von Solar- und Windkraft­anlagen für den Einsatz in der Pro­duktion puffert. Auch BMW will die teure Akkutechnik so lange wie möglich nutzen. 

Das chinesische Joint Venture BMW Brilliance Automotive hat einen geschlossenen Kreislauf zur Wiederverwendung der elementaren Akkurohstoffe Nickel, Lithium und Kobalt aus Hochvoltbatterien etabliert. Die Batterien stammen in einem ersten Schritt aus Entwicklungsfahrzeugen, Testanlagen und Produktionsausschuss. Langfristig sollen so auch die Komponenten von Altfahrzeugen verwertet werden.

BBA arbeitet dafür mit einem lokalen Recyclingunternehmen zusammen, das ausrangierte Batterien zerlegt und die Rohstoffe Nickel, Lithium und Kobalt aus den Batteriezellen zurückgewinnt. Die so gewonnenen Rohstoffe werden anschließend für die Produktion neuer Batteriezellen für die BMW Group verwendet. 

Jochen Goller, Leiter der BMW Group Region China: "In Zukunft wird die BMW Group das Recyclingkonzept in China weiter ausbauen, was nicht nur zum Umweltschutz beiträgt, sondern auch Chinas Übergang zu einer CO₂-armen Wirtschaft effektiv unterstützt." 

Wer schon mal in Indien war, kennt die charakteristischen Dreiräder, die das Straßenbild der meisten Metropolen beherrschen. Bisher knattern die Tuk-Tuks mit Verbrennern durch Millionenstädte wie Mumbai, Delhi oder Chennai. Doch das soll sich nach Willen der Regierung bald ändern, denn der indische Subkontinent will in den kommenden Jahrzehnten sukzessive elektrisch werden.

Audi hat mit dem deutsch-indischen Start-up Nunam die Zweitverwertung von Akkupaketen in Tuk-Tuks ins Leben gerufen. Die E-Dreiräder werden als Modellversuch von gebrauchten Batterien aus elektrischen Erprobungsfahrzeugen angetrieben.

"Die alten Batterien sind noch äußerst leistungsfähig", sagt Prodip Chatterjee, Mitbegründer von Nunam. Er fügt hinzu: "Wenn sie in den richtigen Anwendungen eingesetzt werden, können Second-Life-Batterien eine große Wirkung haben und Menschen in herausfordernden Lebenssituationen helfen, ein Einkommen und ökonomische Unabhängigkeit zu erzielen – auf eine nachhaltige Art und Weise." Die bisher bereits elektrisch betriebenen Dreiräder sind zumeist mit Blei-Säure-Batterien unterwegs, die eine kurze Lebensdauer haben. 

Jaguar Land Rover hat zusammen mit dem Energieunternehmen Pramac einen Energiespeicher entwickelt, der alternde Batteriepakete stationär zur Stromversorgung nutzt. In einem ersten Schritt der Zusammenarbeit nutzt das mobil einsetzbare Speichersystem ESS Lithium-Ionen-Zellen aus bisherigen Prototypen und Vorserienmodellen des Jaguar I-Pace.

Das Ziel: Mit dem Speichersystem soll Energie geliefert werden, wo der Zugang zum öffentlichen Stromnetz nur eingeschränkt oder gar nicht vorhanden ist. Das stationäre Speichersystem verfügt derzeit über eine Kapazität von bis zu 125 kWh – mehr als ausreichend, um ein Elektroauto wie den Jaguar I-Pace aufzuladen oder ein Einfamilienhaus eine Woche lang mit Strom zu versorgen. Ein Offgrid-Batterie-ESS wird künftig auch im Jaguar Land Rover Experience Center in Johannesburg, Südafrika zum Einsatz kommen, um die in Phasen schwankende Stromversorgung aus dem öffentlichen Netz zu unterstützen.