Die Altlast der Elektromobilität
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Wenn irgendwann Millionen E-Autos unterwegs sind, fallen früher oder später Millionen alter Batteriepacks an. Schon jetzt ist klar: Ihr Recycling wird eine enorme Herausforderung.
Wenn frisch gekürte Nobelpreisträger die Nachricht aus Stockholm erhalten, erzählen sie in Interviews oft von den Anfängen ihrer Entdeckung. Der Japaner Akira Yoshino, 2019 mit dem Nobelpreis für Chemie geehrt, sprach hingegen über das Ende der von ihm mitentwickelten Lithium-Ionen-Akkus: »Es kommt darauf an, ob diese Batterien recycelt werden können«, sagte er.
Seit den frühen 1990er Jahren versorgen die leistungsfähigen Energiespeicher Videokameras und Handys, damals maß man ihr Gewicht in Gramm. Inzwischen sind sie zentnerschwer und enthalten die Antriebsenergie von Elektroautos. Damit sind sie ein wesentlicher Teil der Hoffnung, den Straßenverkehr klimafreundlicher zu gestalten.
Kosten, Leistung, Ausdauer
Dazu müsste man viele Bestandteile der Akkus allerdings wiederverwerten, finden Nobelpreisträger Yoshino und andere Experten. Doch dieser Gedanke hat die Heerscharen von Batterieentwicklern bisher kaum erreicht. Die geplante und effiziente Wiederverwertung der Energiespeicher ist bei vielen von ihnen noch immer ein nachrangiges Designkriterium, wenn überhaupt. Stattdessen geht es vor allem um Kosten, Leistung, Ausdauer und die Integration in möglichst attraktive Elektroautos.
Jens Peters beobachtet diesen Missstand schon lange. »Die Batteriepacks sind meist verschweißt oder verklebt und normalerweise nicht dafür gebaut, jemals wieder aufgemacht zu werden«, sagt der Elektroingenieur. Er hat lange am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) zu Energiespeichern geforscht, seit Kurzem ist er Professor an der Universidad de Alcalá im Großraum Madrid.
Heute kämen nur wenige der Batterien ins Recycling, sagt Peters. Und wenn sie dort landen, dann auf Initiative der Hersteller. Keine zukunftsfähige Lösung, findet der Fachmann. »Wenn Elektroautos irgendwann 50 Prozent der Fahrzeuge ausmachen und eine unübersehbare Vielfalt von Batterien 15 oder 20 Jahre nach Fertigung entsorgt werden muss, stehen die Firmen allein da.« Was man stattdessen bräuchte: eine funktionierende Recycling-Wirtschaft, die möglichst viele Bestandteile der Akkus aus E-Autos wiederverwendet.
Aber der Weg dorthin ist voller Hindernisse. Heutige Batteriepacks lassen sich kaum demontieren, gezielt oder automatisiert geht es schon gar nicht. Das freundliche Wort »Recycling« bedeutet meist: aufreißen, schreddern, rösten, mit Schockwellen oder Laugen und Säuren behandeln, einschmelzen, teilweise abfackeln, zu Füllmaterial für Zement reduzieren. Nachhaltig sieht anders aus.
Recycling als Kostenfaktor
Und ob sich die heutigen Verfahren am Ende auszahlen, finanziell oder für die Umwelt, ist fraglich. Eine entsprechende Verwertung von Lithium-Ionen-Akkus, sowohl aus Elektrogeräten wie aus Fahrzeugen, kostet zurzeit bis zu 3000 Euro pro Tonne, schätzt das Umweltbundesamt. Gilt das in Zukunft auch für die Energiespeicher von Elektroautos, bedeutet das 700 bis 1600 Euro pro Autowrack. Wohlgemerkt: Eine wiederverwendbare Batterie hat man damit nicht. Man kann lediglich darauf hoffen, manche der Bestandteile in anderen Produkten wiederzuverwenden.
Entsprechend warnen Experten seit Langem vor einem Berg funktionsunfähiger Batterien, die sich im Schatten des E-Auto-Booms anhäufen könnten. Schätzungen zufolge werden bis 2030 elf Millionen Tonnen alter Akkus anfallen, Jahr für Jahr sollen danach weitere zwei Millionen Tonnen dazukommen. Für Deutschland rechnet das Umweltbundesamt mit einer Menge von 30 000 Tonnen pro Jahr. Immerhin: Die sechs »Recycling«-Anlagen, die es hier zu Lande bereits gibt, könnten bereits 21 000 Tonnen verwerten.
Trotzdem stehen der Branche schwierige Richtungsentscheidungen bevor, warnt Jens Peters: »Ein Grundproblem ist, dass man Prozesse und Anlagen planen muss und dabei nicht weiß, wie die Batterien der Zukunft aussehen werden.« Offen sei auch, welche zurückgewonnenen Materialien künftig gefragt sein werden und welche Form sie dazu haben müssten.
Ein Nachleben für alte Akkus
Fragen wie diesen widmen sich derzeit überall auf der Welt Projekte und Forschungsverbünde, in denen Hochschulen und Firmen zusammenarbeiten. Einige der Initiativen verfolgen dabei schlicht das Ziel, Autobatterien länger zu nutzen. Sie versuchen beispielsweise, die Energiepakete gezielt zu reparieren oder nur die verbrauchten Komponenten auszusortieren und auszutauschen, die die Leistung eines ganzen Batteriepacks nach unten ziehen.
Vergleichsweise etabliert ist auch die Strategie von Autoherstellern und anderen Firmen, die Aggregate nach den Jahren auf der Straße noch eine Weile in Kellern oder Hallen zu nutzen, wo sie unter ruhigeren Bedingungen erneuerbaren Strom zwischenspeichern. Wie groß allerdings der Anteil der Batterien sein wird, die für ein Nachleben in der einen oder anderen Form fit genug sind, ist fraglich. Und auf Dauer werden diese Initiativen die Mengen nutzloser Autobatterien nicht reduzieren, sondern ihre Ankunft auf dem Recyclingmarkt nur verzögern.
Dort müssen sich Planer und Mitarbeiter mit dem komplizierten Innenleben der Batterien auseinandersetzen. Ein Batteriepack besteht aus einem oder etlichen Dutzend Modulen, in denen wiederum mehrere bis hunderte Zellen zusammengeschaltet sind. Hinzu kommen Anschlüsse und Ladeelektronik, Gehäuse und mechanische Verstärkungen. Das alles wird an die Platzverhältnisse im Auto angepasst und für mögliche Unfälle versteift und verkapselt. Bei Wagen mit großer Reichweite und hohem Preis erreichen Batteriepacks eine halbe Tonne an Masse und viele hundert Liter Volumen.
Schaut man genauer hin, wird die Sache noch komplexer: Auf der Zellebene, dem eigentlich aktiven Part des Aggregats, sind viele Schichten zusammengepresst oder -gewickelt und mit einer eigenen, hermetischen Hülle versehen. So kann das Bauteil die Form eines Zylinders, eines Quaders oder einer flachen, leicht biegsamen Tasche annehmen.
Im Inneren finden sich die beiden Elektroden: Die Kathode besteht meist aus einem keramischen Pulver von Lithiumoxid-Metallverbindungen auf einer Aluminiumfolie. Die enthaltenen Metalle wie Nickel und vor allem Kobalt sind teuer und wertvoll; sie wiederzugewinnen, treibt heute oft die Recyclingbemühungen. Die Anteile von Mangan, Eisen, Phosphor oder Aluminium sind den Verwertern weniger wichtig.
Die Anode, der Pluspol, besteht dagegen üblicherweise aus einer Graphitschicht auf Kupfer. Eine Art Polymer-Klebstoff hält die pulvrigen Materialien auf beiden Seiten an den jeweiligen Metallfolien fest. Zwischen den Elektroden befindet sich ein dünner, durchlöcherter Plastikfilm zur Isolierung, der auf beiden Seiten von Elektrolyt umgeben ist, einer meist lithium- und fluorhaltigen, Strom leitenden Flüssigkeit. Hier bewegen sich die Lithium-Ionen, die dem Batterietyp seinen Namen gegeben haben, zwischen den Elektroden. Beim Laden oder Entladen schlüpfen sie in die porösen Materialien auf beiden Seiten.
Problematische Restenergie
Wer ein solches Batteriepack recyceln will, muss zunächst ein naheliegendes Hindernis überwinden: Oft enthalten alte Akkus noch Energie, mitunter stehen sie auch unter Druck. Doch gesicherte Informationen über Bauweise und absolvierte Ladezyklen sind oft schwierig zu bekommen. Einige Unternehmen machen aus dieser Not bereits eine Tugend: Sie nutzen den gespeicherten Reststrom, um Wärme zu erzeugen, oder speisen ihn ins Netz.
Anschließend beginnen Mitarbeiter mit der händischen Demontage. Gehäuse, Kabel und Elektronik liefern dabei relativ sortenrein Aluminium, Stahl und Kupfer. Aber schon bei diesem Schritt erschweren Schweißverbindungen und Verklebungen an den Batteriemodulen die Demontage, wie die Teilnehmer eines Workshops am Karlsruher Institut für Technologie, den Jens Peters mitorganisiert hatte, 2018 festhielten.
Das Problem ist Experten schon länger bekannt. Man solle doch mehr »Schrauben und Muttern« verwenden, um die Trennung der Komponenten zu vereinfachen, forderte die US-amerikanische Wissenschaftlerin Linda Gaines vom Argonne National Laboratory bereits 2015 im Fachmagazin »Nature«. Allerdings haben sich bisher weder diese noch andere Lösungen durchgesetzt. Manche Forscher erproben immerhin, ob Wärme oder Schockwellen in einem Wasserbad dabei helfen können, die Verklebungen zu lösen.
Trotzdem bleibt die äußere Demontage der einfache Teil. Sobald es daran geht, Module oder gar Zellen zu öffnen, müssen weitere Vorsichtsnahmen greifen. Die fluorhaltigen Elektrolyte dürfen nicht austreten, sie sind toxisch und leicht brennbar – unter anderen deshalb sind die Batteriepacks hermetisch gesichert, damit Elektroautos nicht nach Auffahrunfällen in Flammen aufgehen. Die Entsorgung der Flüssigkeit oder der Dämpfe beim Abfackeln erfordert höchste Standards in der Abgaskontrolle. Das stelle »eine der größten Herausforderungen für die Prozesskette dar«, waren sich die Experten in Karlsruhe einig.
Einschmelzen bei 1500 Grad
Darum werden die Module oft unter Luftabschluss zerstört, hauptsächlich mit zwei verschiedenen Verfahren. Da ist zunächst die so genannte Pyrometallurgie, bei der man die Batterien bei bis zu 1500 Grad einschmilzt. Mit ihr arbeitet zum Beispiel die Firma Umicore an ihrem Standort in Hoboken/Belgien und die Nickelhütte in Aue im Erzgebirge. Bei dem Verfahren bleibt am Ende eine Legierung der wertvollen Kathoden-Metalle Kobalt, Nickel und Kupfer übrig, die noch weiter getrennt werden müssen, um sie sortenrein verkaufen zu können. Der Aufwand, der in die Herstellung des keramischen Kathoden-Pulvers geflossen ist, geht so verloren.
Kunststoffe, Elektrolyte, Graphit und andere Stoffe verbrennen im Schmelzofen womöglich einfach und verbessern so die energetische Bilanz des Prozesses, oder sie landen teilweise in einer amorphen schwarzen Masse. Das Lithium kann dann zusammen mit Anteilen von Seltenen Erden als Konzentrat an einen Verwerter geliefert werden – so hält es Umicore.
»Die Folgen für die Umwelt wären in einer gut gemanagten Müllkippe viel geringer«
(Rebecca Ciez, Columbia University)
Diese weitere Aufspaltung der Reste und zum Beispiel das Zurückgewinnen des Lithiums sind zwar möglich, wie Forschungsprojekte ergaben. Sie lohnen sich aber finanziell häufig nicht oder erfordern einen unverhältnismäßigen Einsatz von Energie, wie der KIT-Workshop zeigte. Amerikanische und britische Experten kamen 2019 in »Nature« zu einem ähnlichen Schluss.
Oft genug bilden Lithium, Mangan sowie Aluminium nach dem pyrometallurgischen Recycling dagegen eine Art Asche, die Zementhersteller verwenden können. Wenn das geschieht, selbst wenn die Schlacke aus dem Einschmelzen wie bei anderen Batterietypen im Straßenbau verwendet wird, gilt es aktuell als erfolgreiches, »stoffliches« Recycling: Laut europäischen Bestimmungen muss dafür nur die Hälfte der Batteriemasse wiederverwendet werden. Dazu zählt auch das so genannte Downcycling, wenn Reste eines Hightech-Produkts in Fahrbahnen oder Rohbauten landen.
Die Alternative: Akkus zerschreddern
Die andere wichtige Methode der Verwertung nennt sich Hydrometallurgie. Dafür werden die Batteriezellen unter Luftabschluss geschreddert. Dann lassen sich einige der Trümmer magnetisch oder mechanisch sortieren, mit Sieben oder anhand der Dichte. Außerdem kommen ätzende Flüssigkeiten wie Schwefelsäure oder Wasserstoffperoxid zum Einsatz, um Metalle aus den Fetzen der Batterie auszulaugen oder auszufällen. Die Temperaturen liegen dabei eher bei 100 Grad Celsius.
Die deutsche Firma Duesenfeld mit Sitz in der Nähe von Braunschweig sammelt bei einem solchen Prozess nach eigener Darstellung auch die Elektrolytflüssigkeit, das Lithium und das Graphit. Volkswagen baut zurzeit eine Recyclinganlage nach diesem Prinzip auf.
Eine weitere Variante des Recyclings nutzt das Unternehmen Accurec in Krefeld: Dort erhitzen Mitarbeiter die Batteriemodule zunächst auf einige hundert Grad, damit sich Elektrolyte und Kunststoffe unter Sauerstoffabschluss zersetzen und Verklebungen sich lösen. Danach erst beginnt der weitere Prozess mit dem Zerkleinern der abgekühlten, oft schon verformten Reste. Zurzeit läuft dort ein vom Bundesumweltministerium gefördertes Projekt, das die Kobalt-Nickel-Fraktion der Kathode als »produktfähiges Pulver« gewinnen und auch das Graphit und Lithium industriell weiterverarbeiten will.
Keines der Verfahren ist der nötige Durchbruch
Beide Grundverfahren des Batterierecyclings, das Schmelzen und das Auslaugen, überzeugen Experten jedoch nicht recht. Die Autoren des »Nature«-Artikels aus dem Jahr 2019 schreiben zum Beispiel: »Es ist klar, dass das momentane Design von Batteriezellen das Recycling extrem kompliziert macht und dass weder Hydro- noch Pyrometallurgie zu reinen Strömen von Material führen, die sich einfach in ein Kreislaufsystem für Batterien einspeisen lassen.«
Besser würde wohl eine Methode abschneiden, die direktes Recycling heißt. Es soll das keramische Lithium-Metall-Pulver auf der Kathodenseite, in dessen Herstellung ja schon viel Mühe und Energie geflossen ist, möglichst in seiner ursprünglichen oder einer für neue Aggregate tauglichen Form wiederherstellen. Dabei ergibt sich aber das Problem, dass das Material womöglich aus verschiedenen Batterietypen stammt, deren Zusammensetzung gar nicht genau bekannt ist und Jahrzehnte nach der Herstellung sowieso nicht mehr den aktuellen Anforderungen der Produzenten entspricht.
»Wenn die Autohersteller damit beginnen würden, auf das spätere Recycling zu achten, wären viele der Probleme leichter zu lösen«
(Jens Peters, Universidad de Alcalá)
Darum sieht das Verfahren vor, die Module zu zerkleinern und das isolierte Pulver mit Metallverbindungen in der nötigen Menge zu ergänzen. So ließe sich zum Beispiel das erwünschte Verhältnis von Mangan, Nickel und Kobalt herstellen, die in einem derzeit viel verwendeten Batterietyp Dienst tun. Und dann liegt das Material für lange Zeit in einer Reaktionsflüssigkeit, bis sich Partikel der erwünschten Korngröße gebildet haben.
Eine Woche hat das bei einem Versuch gedauert, den Forscher des Worcester Politechnic Institute in Massachusetts mit Entwicklern verschiedener Firmen unternommen haben. Das Team hatte 30 Kilogramm Batteriemodule aus Autos von Chevrolet, Ford und Fiat zusammen verarbeitet. Das ist ein Fortschritt, denn in einem ersten Versuch war die recycelte Menge bloß ein Kilogramm schwer. Dennoch dürfte der Weg zum industriellen Maßstab noch weit sein.
Nur mit einer solchen Methode aber lohnt sich das Recyceln der Batteriezellen womöglich auch für das Klima, zeigen erste Daten. In Deutschland hatte das Öko-Institut im Jahr 2016 Ökobilanzen für wissenschaftliche Recyclingprojekte aufgestellt, die den Verfahren bei den Firmen Accurec und Duesenfeld zu Grunde liegen. Die Prüfer erteilten durchweg gute Noten. Doch uneingeschränkt positiv war die Bilanz nur für die anfängliche Demontage der Batteriepacks. Für die »Aufbereitung des Aktivmaterials« in den Zellen ergaben sich für Treibhauspotenzial und Primärenergiebedarf keine »Nettogutschriften«, wie es die Kontrolleure formulierten. Fürs Klima war das Verwerten der Zellen also eher eine Belastung.
Überschaubarer Nutzen für die Umwelt
Ähnlich sehen Wissenschaftler der Carnegie Mellon University die Verfahren, wie sie 2019 in »Nature Sustainability« berichteten: Nur direktes Recycling, das freilich noch in den Kinderschuhen steckt, kann demnach verlässlich helfen, CO2-Emissionen zu verhindern. Aus zylindrischen Zellen, auf die beispielsweise Tesla setzt, muss man damit aber etwa 90 Prozent des Kathodenmaterials wiedergewinnen, aus Zellen im Taschenformat ungefähr 60 Prozent. »Pyro- und hydrometallurgische Prozesse haben keine Umweltvorteile«, urteilte das Autorenteam um Rebecca Ciez. Eine Einschätzung, die die Ingenieurin, die mittlerweile an der Columbia University in New York arbeitet, gegenüber »Spektrum.de« nochmals unterstreicht: »Die Folgen für die Umwelt wären in einer gut gemanagten Müllkippe viel geringer«, schreibt Ciez per E-Mail.
Allerdings zeigen sich beim Recycling auch Zielkonflikte und Unsicherheiten. Diese können die Wirtschaftlichkeit betreffen: Zurzeit mag es sich lohnen, Kobalt aus den Zellen zurückzugewinnen. Doch da die Preise schwanken und Produzenten seit Langem versuchen, immer weniger von dem teuren Metall zu verwenden, kann sich das Blatt auch wenden. Beim Lithium ist es umgekehrt: Dort rechnet sich die aufwändige Wiederaufbereitung aktuell nicht, urteilten die Experten auf dem KIT-Workshop. Denn der Neuabbau des Leichtmetalls ist preiswerter und teils sogar ökologischer als das Recycling. Was wohl einiges über den bisherigen Stand der Wiederaufbereitungstechnik aussagt: Lithium wird derzeit oft unter umstrittenen Bedingungen im bolivianischen oder chilenischen Hochland gefördert und um den halben Planeten transportiert. Ändern dürfte sich das erst, wenn die Nachfrage durch einen Elektroauto-Boom steigt und andere Quellen des Elements erschlossen werden.
In der Herkunft der Batteriemetalle kann man auch ein moralisches Argument für eine weitere Verbesserung des Recyclings sehen: 60 Prozent des Kobalts auf dem Weltmarkt kommt heute aus der Demokratischen Republik Kongo, wo Armut und politische Instabilität zu Zwangs- und Kinderarbeit unter haarsträubenden Bedingungen führen. Das lässt es eigentlich geboten erscheinen, jedes Gramm Metall wiederzugewinnen, zumal die gesellschaftliche Verantwortung von Firmen zunehmend an der Herkunft ihrer Rohstoffe gemessen wird.
Und dann gibt es industriepolitische Fragen: Was soll man in Deutschland mit dem recycelten Material, wenn die Batterien ohnehin zurzeit in Asien hergestellt werden? Baut man hier eine eigene Produktion auf, so dass man die Rohstoffquelle Altbatterie unbedingt sichern will? Was passiert, wenn das Zerlegen in Billiglohnländern einfach preiswerter ist: Wer achtet dann auf die Abgasreinigung und die Umweltschäden durch Fluor-Elektrolyte? Und wie weit treibt man sinnvollerweise die Wiederverwertung der teuren Batteriepacks?
Jens Peters und seine Kollegen verdichten solche Zielkonflikte im Begriff »Recycling-Tiefe«. Sie ist eine von vielen offenen Fragen, für die Ingenieure in den kommenden Jahrzehnten eine Antwort finden müssen. Eines ist Peters und seinen Kollegen schon jetzt klar: »Wenn die Autohersteller damit beginnen würden, auf das spätere Recycling zu achten und es vorzubereiten, wären viele der Probleme leichter zu lösen.«
Machine Translation into English
When at some point there are millions of e-cars on the road, sooner or later millions of old battery packs will arise. It is already clear that recycling will be an enormous challenge.When newly crowned Nobel Prize winners receive the news from Stockholm, they often talk in interviews about the beginnings of their discovery. The Japanese Akira Yoshino, honored with the Nobel Prize for Chemistry in 2019, spoke about the end of the lithium-ion batteries he helped develop: "It depends on whether these batteries can be recycled," he said.
The high-performance energy storage devices have been supplying video cameras and mobile phones since the early 1990s, at that time their weight was measured in grams. This makes them an essential part of the hope of making road traffic more climate-friendly.
Cost, performance, endurance To do this, however, you would have to recycle many of the battery components, according to Nobel Prize winner Yoshino and other experts. But this idea has so far hardly reached the host of battery developers. The planned and efficient recycling of energy storage systems is still a subordinate design criterion for many of them, if at all. Instead, it is all about costs, performance, endurance and integration into the most attractive electric cars possible.
Jens Peters has been observing this situation for a long time. "The battery packs are usually welded or glued and usually not built to be opened again," says the electrical engineer. He spent a long time doing research on energy storage at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT), and has recently become a professor at the Universidad de Alcalá in the Madrid area.
Today, only a few of the batteries are recycled, says Peters. And when they end up there, it is at the initiative of the manufacturer. The expert finds no sustainable solution. "If at some point electric cars make up 50 percent of vehicles and an unmistakable variety of batteries has to be disposed of 15 or 20 years after production, the companies are on their own." What you need instead: a functioning recycling economy that removes as many of the battery components as possible E-cars reused.
But the way there is full of obstacles. Today's battery packs can hardly be dismantled, and it certainly does not work in a targeted or automated manner. The friendly word »recycling« usually means: tearing open, shredding, roasting, treating with shock waves or alkalis and acids, melting down, sometimes flaring, reducing to filler material for cement. Sustainable looks different.
Recycling as a cost factor And whether today's processes will pay off in the end, financially or for the environment, is questionable. Corresponding recycling of lithium-ion batteries, both from electrical appliances and from vehicles, currently costs up to 3000 euros per ton, estimates the Federal Environment Agency. If this also applies to the energy storage of electric cars in the future, that means 700 to 1,600 euros per car wreck. Mind you: you don't have a reusable battery. One can only hope to reuse some of the ingredients in other products.
Accordingly, experts have long warned of a mountain of inoperable batteries that could pile up in the shadow of the electric car boom. It is estimated that there will be eleven million tons of old batteries by 2030, and another two million tons will be added every year. For Germany, the Federal Environment Agency expects an amount of 30,000 tons per year. After all: the six »recycling« plants that already exist here in this country could already recycle 21,000 tons.
Jens Peters warns that the industry will still have difficult directional decisions ahead of them: "A basic problem is that you have to plan processes and systems without knowing what the batteries of the future will look like." It is also unclear which materials will be in demand in the future what form they would have to have.
An afterlife for old batteries Projects and research associations in which universities and companies work together are currently devoted to questions like these. Some of the initiatives are simply aimed at making car batteries last longer. They try, for example, to repair the energy packs in a targeted manner or to sort out and replace only the used components that reduce the performance of an entire battery pack.
The strategy of car manufacturers and other companies to use the gensets for a while in basements or halls after years on the road, where they temporarily store renewable electricity under quieter conditions, is also comparatively established. How large the proportion of batteries will be that are fit enough for an afterlife in one form or another is questionable. And in the long run these initiatives will reduce the quantitiesDo not reduce idle car batteries, but only delay their arrival on the recycling market.
There, planners and employees have to deal with the complicated inner workings of the batteries. A battery pack consists of one or several dozen modules in which several to hundreds of cells are interconnected. There are also connections and charging electronics, housings and mechanical reinforcements. All of this is adapted to the space available in the car and stiffened and encapsulated for possible accidents. For cars with a long range and high price, battery packs have a mass of half a ton and a volume of many hundreds of liters.
If you take a closer look, things become even more complex: At the cell level, the actually active part of the aggregate, many layers are pressed or wrapped together and provided with their own, hermetic envelope. The component can take the form of a cylinder, a cuboid or a flat, easily flexible pocket.
Inside are the two electrodes: The cathode usually consists of a ceramic powder of lithium oxide metal compounds on an aluminum foil. The metals contained such as nickel and especially cobalt are expensive and valuable; Recovering them often drives recycling efforts today. The proportions of manganese, iron, phosphorus or aluminum are less important to the recyclers.
The anode, the positive pole, on the other hand, usually consists of a graphite layer on copper. A type of polymer adhesive holds the powdery materials on both sides of the respective metal foils. Between the electrodes there is a thin, perforated plastic film for insulation, which is surrounded on both sides by electrolyte, an electricity-conducting liquid usually containing lithium and fluorine. This is where the lithium ions, which gave the battery its name, move between the electrodes. When loading or unloading, they slip into the porous materials on either side.
Problematic residual energy Anyone who wants to recycle such a battery pack must first overcome an obvious obstacle: Old batteries often still contain energy, and sometimes they are also under pressure. However, it is often difficult to obtain reliable information about the design and completed charging cycles. Some companies are already making a virtue out of this need: They use the stored residual electricity to generate heat or feed it into the grid.
Then employees start dismantling by hand. Housing, cables and electronics deliver relatively pure aluminum, steel and copper. But even at this step, welded connections and adhesive bonds on the battery modules make dismantling more difficult, as the participants in a workshop at the Karlsruhe Institute of Technology, which Jens Peters helped to organize, noted in 2018.
The problem has been known to experts for a long time. American scientist Linda Gaines from the Argonne National Laboratory asked in 2015 in the journal “Nature” that more “nuts and bolts” should be used to simplify the separation of the components. However, so far neither these nor other solutions have prevailed. After all, some researchers are testing whether heat or shock waves in a water bath can help loosen the bonds.
Even so, the external disassembly remains the easy part. As soon as it comes to opening modules or even cells, further precautionary measures must be taken. The fluorine-containing electrolytes must not leak, they are toxic and easily flammable - among other things, this is why the battery packs are hermetically sealed so that electric cars do not go up in flames after a rear-end collision. The disposal of the liquid or the vapors during the flaring requires the highest standards in emissions control. The experts in Karlsruhe agreed that this represented “one of the greatest challenges for the process chain”.
Melting down at 1500 degrees That is why the modules are often destroyed in the absence of air, mainly using two different methods. First there is the so-called pyrometallurgy, in which the batteries are melted down at up to 1500 degrees. For example, the Umicore company at its location in Hoboken / Belgium and the nickel smelter in Aue in the Ore Mountains work with it. In the end, the process leaves an alloy of the valuable cathode metals cobalt, nickel and copper, which have to be separated further so that they can be sold separately. The effort that went into producing the ceramic cathode powder is lost.
Plastics, electrolytes, graphite and other substances may simply burn in the melting furnace and thus improve the energetic balance of the process, or some of them end up in an amorphous black mass. The lithium can then be delivered to a recycler as a concentrate, along with some rare earths - that's Umicore's opinion. The impact on the environment would be much less in a well-managed dump « (Rebecca Ciez, Columbia University) This further splitting of the residues and, for example, the recovery of the lithium are possible, as research projects have shown. However, they are often not financially worthwhile or require a disproportionate use of energy, as the KIT workshop showed. American and British experts came to a similar conclusion in Nature in 2019.
Often enough, however, lithium, manganese and aluminum form a kind of ash after pyrometallurgical recycling that cement manufacturers can use. If this happens, even if the slag from the smelting process is used in road construction, as is the case with other types of batteries, it is currently considered successful "material" recycling: According to European regulations, only half of the battery mass has to be reused. This also includes what is known as downcycling, when the remains of a high-tech product end up in roadways or shell structures.
The alternative: shred batteries The other important method of recovery is called hydrometallurgy. For this purpose, the battery cells are shredded in the absence of air. Then some of the debris can be sorted magnetically or mechanically, with sieves or based on density. Corrosive liquids such as sulfuric acid or hydrogen peroxide are also used to leach or precipitate metals from the scraps of the battery. The temperatures are closer to 100 degrees Celsius.
The German company Duesenfeld based near Braunschweig also collects the electrolyte liquid, lithium and graphite in such a process. Volkswagen is currently building a recycling plant based on this principle.
The Accurec company in Krefeld uses a further variant of recycling: There, employees first heat the battery modules to a few hundred degrees so that electrolytes and plastics decompose in the absence of oxygen and adhesions loosen. Only then does the further process begin with the crushing of the cooled, often already deformed residues. A project funded by the Federal Ministry for the Environment is currently running there, which aims to extract the cobalt-nickel fraction of the cathode as a »product-compatible powder« and to further process the graphite and lithium industrially.
Neither process is the necessary breakthrough However, both of the basic processes of battery recycling, melting and leaching, do not really convince experts. The authors of the »Nature« article from 2019 write, for example: »It is clear that the current design of battery cells makes recycling extremely complicated and that neither hydro- nor pyrometallurgy lead to pure flows of material that simply turn into feed a circulatory system for batteries. "
A method called direct recycling would do better. The aim is to restore the ceramic lithium metal powder on the cathode side, in the production of which a lot of effort and energy has already gone, in its original form or in a form suitable for new units. However, the problem arises that the material may come from different types of batteries, the composition of which is not exactly known and decades after production no longer meets the current requirements of the manufacturers.
"If the automakers started looking at recycling later, many of the problems would be easier to solve." (Jens Peters, Universidad de Alcalá) This is why the process provides for the modules to be shredded and the isolated powder to be supplemented with metal compounds in the required amount. For example, the desired ratio of manganese, nickel and cobalt could be produced, which are used in a type of battery that is currently widely used. And then the material lies in a reaction liquid for a long time until particles of the desired grain size have formed.
It took a week in an experiment that researchers at the Worcester Politechnic Institute in Massachusetts made with developers from various companies. The team had processed 30 kilograms of battery modules from cars from Chevrolet, Ford and Fiat. This is a step forward, because in a first attempt the recycled amount weighed only one kilogram. Nevertheless, the way to industrial scale is still a long one.
Only with such a method, however, is it possible that recycling the battery cells is also worthwhile for the climate, according to initial data. In Germany, the Öko-Institut drew up life cycle assessments for scientific recycling projects in 2016, which are based on the processes at Accurec and Duesenfeld. The examiners all gave good grades. But the only positive result was the initial dismantling of the battery pack. For the »preparation of the active material« in the ZeThere were no "net credits" for global warming potential and primary energy requirements, as the inspectors put it. The recycling of the cells was more of a burden for the climate.
Manageable benefits for the environment Scientists at Carnegie Mellon University see the processes in a similar way, as they reported in Nature Sustainability in 2019: Only direct recycling, which is admittedly still in its infancy, can reliably help prevent CO2 emissions. From cylindrical cells, which Tesla relies on, for example, about 90 percent of the cathode material has to be recovered, and about 60 percent from pocket-sized cells. "Pyro- and hydrometallurgical processes have no environmental benefits," said the team of authors around Rebecca Ciez. An assessment that the engineer, who now works at Columbia University in New York, underlines again to »Spektrum.de«: »The consequences for the environment would be much lower in a well-managed garbage dump«, writes Ciez by e-mail.
However, when it comes to recycling, there are also conflicting goals and uncertainties. These can affect profitability: At the moment, it may be worthwhile to recover cobalt from the cells. But since prices fluctuate and producers have long tried to use less and less of the expensive metal, the tide may turn. With lithium it is the other way around: The costly reprocessing is currently not profitable, judged the experts at the KIT workshop. Because the new mining of the light metal is cheaper and sometimes even more ecological than recycling. Which probably says a lot about the current state of reprocessing technology: Lithium is currently often mined under controversial conditions in the Bolivian or Chilean highlands and transported around half the planet. That is only likely to change when demand increases due to an electric car boom and other sources of the element are tapped.
The origin of the battery metals can also be seen as a moral argument for further improvement in recycling: 60 percent of the cobalt on the world market today comes from the Democratic Republic of the Congo, where poverty and political instability lead to forced and child labor under hair-raising conditions. That actually makes it seem necessary to regain every gram of metal, especially since the social responsibility of companies is increasingly measured by the origin of their raw materials.
And then there are industrial policy questions: What should one do with the recycled material in Germany if the batteries are currently being manufactured in Asia anyway? Do you set up your own production here, so that you absolutely want to secure the raw material source of old batteries? What happens if dismantling is simply cheaper in low-wage countries: Who then pays attention to exhaust gas cleaning and the environmental damage caused by fluorine electrolytes? And how far does it make sense to take the recycling of expensive battery packs?
Jens Peters and his colleagues condense such conflicting goals in the term »recycling depth«. It is one of many open questions for which engineers will have to find an answer in the decades to come. One thing is already clear to Peters and his colleagues: "If the automakers started to pay attention to the later recycling and to prepare it, many of the problems would be easier to solve."