Lithium-Ionen-Batterien sind treue Lebensbegleiter geworden. Aber wie kann man sie effizient, sicher und umweltgerecht wiederverwerten?
Sie sind überall. Jeder trägt sie mit sich herum (im Smartphone), immer mehr lassen sich von ihnen durch den Alltag transportieren (in E-Autos, E-Bikes, Scooter). Dazu kommen noch Haushaltsgeräte aller Art: Lithium-Ionen-Batterien sind zu fixen Lebensbegleitern geworden. Aber auch ihnen ist nur eine begrenzte Lebensdauer geschenkt. Und dann?
An der sicheren und umweltgerechten Wiederverwertung der teils kostbaren Rohstoffe wird intensiv geforscht. Möglichst viel Nachhaltigkeit, möglichst wenig Umweltbelastung lautet das Ziel auch für Lithium-Ionen-Batterien. Kann das gelingen? Woher kommen die verwendeten Rohstoffe, wohin gehen sie – und welche Hürden gibt es auf diesem Weg zwischen abbauen, nutzen und wiederverwerten? Ein Überblick in sieben Kapiteln.
1 Lithium-Ionen-Batterien: Die Geschichte
So jung wie sie wirken, sind sie gar nicht: Bereits 1991 verbaute Sony erstmals Lithium-Ionen-Batterien in elektrischen Geräten, bei denen es auf ein möglichst geringes Gewicht ankam. Seither steigt durch den zunehmenden Einsatz in der Elektromobilität (Autos, Fahrräder) sowie elektronischen Haushaltsgeräten die Bedeutung und Nachfrage nach diesen Energieakkumulatoren. Wobei: Der Name täuscht ein wenig. Denn nur zwei Prozent der Batterie bestehen tatsächlich aus Lithium. Dazu kommen noch andere Metalle: Kupfer, Nickel, Kobalt.
2 Die Vorteile der Batterien
Vor allem sind es die hohe Energiedichte, das niedrige Gewicht und die geringe Selbstentladung, womit Lithium-Ionen-Batterien entscheidende Vorteile gegenüber andere Batterietypen bieten. Verbaut sind entweder NCA-Zellen (Nickel, Cobalt, Aluminium) oder NMC-Zellen (Nickel, Mangan, Cobalt). Sie sind zudem wesentlich haltbarer. So hat BMW seine Garantie für die im i3 verbauten Batterien im vergangenen Jahr von 100.000 auf 160.000 Kilometer erhöht.
3 Die Nachteile
Die Produkteigenschaften stellen besondere Anforderungen an die Entsorgung, den Transport, die Lagerung und den eigentlichen Recyclingprozess. Unsachgemäße Behandlung oder mechanische Schädigung führen zu einer erhöhten Brandgefahr. Die Kosten für die Wiederaufbereitung liegen zudem noch vielfach über den Kosten für neue Batterien – das bremst naturgemäß den Trend hin zur Zweitverwertung, beispielsweise in Photovoltaikanlagen.
Nur zwei Prozent einer Lithium-Ionen-Batterie bestehen aus Lithium.
4 Recycling – die Tücken
Die Krux liegt im Detail. Denn um Lithium-Ionen-Batterien recyclen zu können, muss man sie zunächst völlig entladen. Es müssen also jene zehn bis zu 20 Prozent Restenergie, die „leere“ Batterien dieser Bauart immer noch enthalten, „abgesaugt“ werden. Erst dann ist ein Zerlegen in Einzelkomponenten möglich. Das kann, je nach Bauart der Batterie, ein durchaus aufwendiger Prozess sein, da manche Exemplare verklebt und vernietet sind. Technisch werden bereits Recyclingraten von 90 Prozent bei Kobalt, Nickel und Kupfer erreicht. Bei Lithium selbst ist die Rückgewinnungsrate noch deutlich niedriger, das Ziel der EU liegt bei 30 Prozent bis 2030.
5 Die Gefahren bei der Entsorgung
Lithium-Ionen-Batterien haben aufgrund der im Vergleich zu anderen Batterietypen hohen Energiedichte ein sehr hohes reaktives Potenzial. Durch mechanische Beschädigung, thermische Einwirkungen, Überladungen oder Kurzschlüsse können diese hohen Energiemengen schlagartig freigesetzt werden, warnte Roland Pomberger, Professor an der Montanuniversität Leoben, zuletzt in einem Beitrag für ein Fachmagazin. Diese unkontrollierte Wärmefreisetzung ist ein ernstzunehmendes Gefahrenpotenzial im Entsorgungsprozess. Immerhin ein Viertel der Lithium-Ionen-Batterien weisen nach ihrer Lebensdauer noch einen Ladezustand auf, der bei kritischer Beschädigung zu Wärmefreisetzungen führen kann.
6 Ein „zweites Leben“ als Alternative
Laut Saubermacher, einem Abfallentsorgungs- und -aufbereitungsunternehmen mit Hauptsitz in Graz, fallen in Österreich pro Jahr aktuell rund 4.000 gebrauchte Batteriesysteme allein aus der Elektromobilität an. Das entspricht in etwa 200 Tonnen. Ja nach Entwicklung der E-Mobilität werden für 2030 zwischen 10.000 und 20.000 Tonnen prognostiziert. Neben dem Zerlegen und Wiederverwerten werden ausgemusterte Batterien aus E-Autos auch als SecondLife-Speichersysteme genutzt. Der technische Aufwand für die Realisierung derartiger Speicher ist aber sehr hoch. Noch zu klären sind zudem rechtliche Haftungsfragen.
7 Die Zukunft
Die perfekt wiederverwertbare Batterie enthält demnach keine toxischen Anteile. Sie lässt sich gut recyceln, und idealerweise nutzt man schon bei der Herstellung einen hohen Anteil von recycelten Materialien, aber keine kritischen Rohstoffe. Und auch der Herstellungsprozess kommt ohne giftige Substanzen aus. Welche konkreten Batterietypen sich in Zukunft durchsetzen werden, ist derzeit aber noch nicht absehbar. Aus den unterschiedlichen Anwendungsgebieten ergeben sich nämlich viele verschiedene Anforderungen.
„Der ideale Akku wird daher wahrscheinlich nicht eine einzige Zellchemie oder Form sein“, schlussfolgert Marcus Jahn vom Austrian Institute of Techology (AIT), wo in verschiedenen Forschungsgruppen intensiv an der Weiterentwicklung der Batterie Richtung Nachhaltigkeit geforscht wird. Im stationären Bereich sei beispielsweise der Kostenfaktor am wichtigsten, die Energiedichte hingegen nicht so entscheidend. Ganz andere Anforderungen gebe es dagegen etwa bei einem Handy oder einem Fahrzeug. „Die Antwort wird also eher nicht die gleiche Technologie sein.“ Allerdings gebe es gewisse Parameter – insbesondere Leistungsfähigkeit, Sicherheit und Nachhaltigkeit –, die bei allen Batterietypen und Anwendungen eine große Rolle spielen.
