Alles über Lithium-Ionen-Batterien: Von Antrieb bis Zellrecycling

Wiedergeburt? Kein Mythos für Lithium-Ionen-Batterien! Sie erleben nach ihrer Primärfunktion als Antrieb von E-Fahrzeugen oft ein „Second Life“. Doch was gehört alles zum Lebenszyklus von Batteriezellen? Und was gilt es in der Logistik dieser Gefahrenstoffe zu beachten?

E-Mobilität ist weltweit im Aufschwung. Angesichts der nachhaltigen Entwicklung und der Verkehrsreduktion in Städten steigt die Nachfrage nach elektrisch angetriebenen Fahrzeugen. Laut dem Kraftfahrt-Bundesamt hat sich die Zahl der neu zugelassenen E-Autos in Deutschland 2020 verdreifacht. Inklusive weiterer alternativer Antriebe wie Plug-in-Hybriden, Gas- oder Wasserstoffantrieb hat sich dieser Anteil der Neuzulassungen sogar auf ein Viertel gesteigert. Mittlerweile gibt es 70 elektrische Fahrzeugmodelle allein deutscher Hersteller auf dem Markt.

Zu langsam, keine Reichweite, zu wenig Ladestationen? Schnee von gestern!

Während die Hürden zur Anschaffung von E-Autos früher Faktoren wie Preis und Ladeinfrastruktur waren, wurden diese mittlerweile überwunden. In Deutschland gibt es rund 40.000 öffentlich zugängliche Ladepunkte (Stand März 2021). Daneben sind bis zu 70 Prozent der Garagen und festen Stellplätze von E-Fahrzeug-Eignern mit privaten Ladestationen ausgestattet. Die Kosten für E-Autos sinken zudem seit Jahren. Laut Analysen soll eine Preisparität zwischen elektrischen und konventionellen Pkw bereits bald erreicht werden; schon 2027 sollen E-Autos kostensparender produziert werden als solche mit Verbrennungsmotoren.

Auch erhöhte Reichweiten von elektrisch betriebenen Fahrzeugen von 300 bis 500 Kilometern steigern die Alltagstauglichkeit und Akzeptanz. So werden E-Antriebe auch für die Logistik und den gewerblichen Straßentransport immer interessanter (Logistics People Community berichtete bereits darüber). Betrachtet man die „Total Cost of Ownership“, die sowohl die Anschaffungs- und Nutzungskosten als auch die Kosten von Kraftstoff/Strom, Wartung und Reparatur, Steuern und Versicherung mit einbezieht, sind heutige E-Fahrzeuge je nach Modell bereits günstiger oder nur wenig teurer als konventionelle Pkw.

Lithium-Ionen-Batterien: Energieversorgung der Zukunft

Eines der wichtigsten und teuersten Bauteile der E-Fahrzeuge sind die Lithium-Ionen-Batteriesysteme (LIB). Da sie zum Teil aus Metallen wie Lithium, Kobalt, Nickel, Mangan und Graphit bestehen, stellen die LIB aktuell etwa 30 Prozent der Gesamtkosten des Fahrzeugs dar. Aktuell kostet eine neue Lithium-Ionen-Batterie zirka 116 Euro pro Kilowattstunde, 2019 waren es noch rund 132 Euro. Für die nächsten Jahre sind weitere Preissenkungen prognostiziert.

Doch neben Preis und Reichweite spielt auch die nachhaltige Herstellung der LIB eine immer größere Rolle. Während es aufgrund der Fundorte der Rohstoffe, die in Bolivien, Argentinien, Chile, Australien, den USA und China am häufigsten vorkommen, mitunter zu Lieferengpässen kommen kann, soll die Produktion künftig in direkter Nähe zum Markt (den Automobilherstellern und Endkunden) stattfinden. Deshalb kündigen Hersteller von Batteriezellen zunehmend den Aufbau von Batteriezellproduktionskapazitäten in Europa an, darunter Ungarn, Polen, Skandinavien und Deutschland.

Der Vorteil: In Europa kann bereits für die Herstellung der Batteriesysteme nachhaltig produzierter Strom verwendet werden, was den CO2-Fußabdruck der LIB weiter senkt. Zudem deckt Europa den Bedarf der Hersteller an qualifiziertem Personal. Doch für die Produktion und Lagerung der LIB gibt es vieles zu beachten.

 

Automobillogistik für E-Fahrzeuge: Keine leichte Aufgabe

„Bei Batteriesystemen für E-Fahrzeuge gibt es eine hohe Modul-Varianz. Außerdem werden am Produktionsstandort oft im Wechsel Elektro- und herkömmliche Fahrzeuge montiert, um das Tagesvolumen zu erreichen. Damit dies so schnell und präzise wie möglich abläuft, müssen der Antrieb und die Batterieeinheit in Sequenz geliefert werden.“
Dr. Marcus Ewig | Geschäftsführender Direktor der Rhenus Automotive SE
Eines auf Montage und Logistik spezialisierten Automobillogistikdienstleisters.

„Die fachgerechte Lagerung und Montage der Batteriesysteme sollte aufgrund der hohen Gewichte und Dimensionen in unmittelbarer Nähe zum Einbauort der Elektrofahrzeuge erfolgen. Viele Originalgerätehersteller (OEM) entscheiden sich daher für Zulieferer und Automobillogistikpartner, die die Vormontage und Lagerung an eigenen Standorten übernehmen. So können die Lagerflächen an den Produktionsstandorten anderweitig genutzt werden.“

Die Lagerung von LIB muss zudem entsprechend besonderen Anforderungen und Richtlinien, wie dem Wasserschutz- und Brandschutzgesetz, erfolgen. Vom Lager aus kann dann die Just-in-time- und Just-in-sequence-Anlieferung zum Produktionsort erfolgen.

Lithium-Ionen-Batterien im Überblick

  • LIB haben eine Lebensdauer von rund 10 Jahren im „First Life“ als Antriebszelle.
  • Es gibt verschiedene Formate: zylindrisch, prismatisch, Pouch. Zylindrische Zellen haben aktuell die höchste Energiedichte. Kommerzielle Feststoffbatterien befinden sich in der Entwicklung.
  • Vorteile von LIB: hohe Zellspannung, kein Memory-Effekt beim Wiederaufladen der Akkus (Akku lädt vollständig wieder auf und „merkt“ sich keinen vorherigen Batteriestand), hoher Wirkungsgrad, geringe Selbstentladung.
  • Relevante Rohstoffe: Kobalt, Nickel, Mangan, Lithium Graphit. Studien belegen, dass für den prognostizierten Bedarf der Elektromobilität genügend Rohstoffe vorhanden sind. Es kann jedoch zu temporären Verknappungen oder Preissteigerungen kommen (Erschließung neuer Förderstätten, verstärkte Nachfrage, Export aus Fördergebieten).
  • Nickel und Kobalt können zu 90 Prozent aus gesammelten Batterien zurückgewonnen werden.
  • LIB sind Gefahrgut der Klasse 9. Aufgrund ihrer hohen Energiedichte bergen sie ein erhebliches Brandrisiko. Sie können sich durch technische oder mechanische Defekte selbst entzünden und zu einer schnellen Brandausbreitung führen.

Wiedergeburt im Second Life

Nach etwa 1.000 Ladezyklen – die nach etwa zehn Jahren oder 150.000 gefahrenen Kilometern erreicht sind – reicht die Leistung eines typischen Lithium-Ionen-Akkus für den Antrieb eines Fahrzeugs nicht mehr aus. Doch das bedeutet nicht, dass die Batterie nicht mehr einsatzfähig ist, denn sie enthält noch etwa 50 bis 70 Prozent ihrer Energieleistung. In den zweiten Anwendungssystemen können diese Batterien ihr nächstes Leben starten, zum Beispiel als Speichermedien für Wind- und Solarenergie, im Einsatz zur Stabilisierung des Stromnetzes, als Notstromversorgung oder auch für das Aufladen von E-Autos.

Warum überhaupt der ganze Aufwand? Nun, neben dem Nachhaltigkeitsaspekt – denn mit ihren gefährlichen Inhaltsstoffen sollten Batterien grundsätzlich nicht auf der Deponie enden – waren Lithium-Ionen-Batterien 2020 für rund 60 Prozent des weltweit produzierten Metalls Kobalt verantwortlich. Neben Lithium, Mangan und Nickel gehört Kobalt zu den seltenen Metallen, die für die Herstellung einer Reihe von technischen Geräten genutzt werden – von Smartphones über Kamera-Akkus und Elektroautos bis hin zu Katalysatoren. Diese Stoffe sind nicht nur wertvoll sowie kostspielig abzubauen, sie können auch nur schwer umweltfreundlich entsorgt werden.

„Die Wiederverwertung und das Recycling von Kobalt, Nickel, Lithium, Mangan und anderen Stoffen bietet neben einer Steigerung des Absatzes von E-Autos in der Zukunft auch die Möglichkeit, schonend und nachhaltig mit den uns zur Verfügung stehenden Rohstoffen sowie unserer Umwelt umzugehen. Die Kreislaufwirtschaft ist daher ein integraler Bestandteil des Battery Life Cycle Managements.“
Dr. Ansgar Fendel | Geschäftsführer der REMONDIS Assets & Services
Einem der weltweit größten Dienstleister für Recycling, Service und Wasser.

Bis 2025 soll die Zahl der E-Fahrzeug-Batterien von aktuell 55.000 auf 3,4 Millionen ansteigen. Gegenüber neuen Batterien können Unternehmen durch die Nutzung gebrauchter Batterien neben der Senkung des CO2-Fußabdrucks auch Kosten sparen. Die Nachfrage nach Gebraucht-LIB als Zwischenspeicher der Stromversorger steigt bereits. Insbesondere im Bereich der erneuerbaren Energien können die LIB Stromüberschuss speichern und gezielt wieder in das Netz einspeisen.

„Als Recyclingunternehmen arbeiten wir daher bereits von Anfang an mit den Automobillogistik-Dienstleistern zusammen und erstellen gemeinsame Konzepte für die Wartung, Prüfung, Weiterverwendung und das anschließende Recycling von Batteriesystemen“, berichtet Dr. Ansgar Fendel. Allerdings weist er darauf hin, dass es für eine Nutzung der Batterien im Second Life zunächst einer Prüfung auf die Eignung bedürfe, denn Second-Life-Batterien hätten eine höhere Ausfallrate und einen kürzeren Lebenszyklus. Die weitere Nutzung der LIB sei abhängig von Größe und Art der Batterie sowie ihrem Zustand und dem technischen Aufbereitungsaufwand. Auch der Einsatzmarkt bestimme, ob eine LIB einen zweiten Einsatzzyklus erhält oder nicht.

Aktuelle Geschäftsmodelle sehen bislang primär die Nutzung einzig eines Batterietypen pro Projekt vor, da sich die Modelle in Form und Funktion deutlich unterscheiden. „Um diese zweite Nutzung der Systeme weiter zu vereinfachen, sollte daher eine Standardisierung der Batteriesysteme vorgenommen werden, damit Montage und Demontage weniger aufwendig werden und der Automatisierungsgrad in den Prozessen weiter erhöht werden kann“, fügt Lukas Brandl, Leiter Batterierecycling bei dem Recyclingrohstoffunternehmen TSR Recycling, hinzu.

Ein Fußballstadion mit LIB-Power

Endstation: Recyclinganlage?

In der Europäischen Union werden Hersteller von Batteriezellen und Automobilhersteller dazu verpflichtet, die Sammlung, Behandlung und das Recycling aller gesammelten Batterien zu übernehmen. Auch in China gibt es vergleichbare Vorschriften, in den USA in einzelnen Bundesstaaten.

Die erste Herausforderung des Batterierecyclings ist die Lagerung. „Gebrauchte Lithium-Ionen-Batterien müssen in UN-zugelassenen Behältern, mitunter mit zusätzlichem feuerhemmendem Material gefüllt, in einem abgeschlossenen Lagerraum mit abgetrenntem und brandabschnittsbildendem Bereich gelagert werden. Die Kehrseite der LIB ist leider, dass defekte Batterien ein erhebliches Sicherheits- und Brandrisiko darstellen. Unsere Mitarbeiter kümmern sich um die Demontage und prüfen die Batterien daher zunächst auf Defekte. Sollte eine weitere Nutzung der Batterie nicht möglich sein, übergeben wir sie an ein Recyclingunternehmen“, erklärt Dr. Marcus Ewig.

Lukas Brandl ergänzt: „Wir demontieren die LIB bis auf Modulebene, führen zusätzlich Tiefenentladungen durch und arbeiten für eine tiefere Wertschöpfung mit weiteren Recyclingpartnern. So gewährleisten wir eine optimale Rückgewinnung der Rohstoffe und leisten einen entscheidenden Beitrag zum Schließen von Stoffkreisläufen.“

Zu den wesentlichen Wertträgern gehören neben Kobalt und Nickel auch Kupfer, Eisen/Stahl und Aluminium. Recyclinganlagen, wie die derzeit weltweit größte Anlage für LIB-Recycling, können bis zu 7.000 Tonnen pro Jahr behandeln. Kupfer, Aluminium und Kunststoff werden direkt aus der Demontage der LIB-Module gewonnen. Danach erfolgt die Zerlegung der Zellen, wodurch die sogenannte Schwarzmasse gefördert wird, aus der Kobalt, Nickel und Mangan zurückgewonnen werden. Lithium kann in einem Folgeprozess durch einen Lithiumverarbeiter zurückgewonnen werden, wobei dieses Verfahren aktuell sowohl noch einen hohen Aufwand als auch Kostenfaktor aufweist. Gehäuse und Elektronik werden in separaten Prozessen behandelt. Laut dem Fraunhofer-Institut ISI wird der Demontage-Ertrag auf 210 bis 240 Euro pro Tonne Batterie geschätzt, wobei die Hälfte davon auf das Aluminium entfällt, ein Viertel jeweils auf Stahl und Kupfer. Das eigentliche Zellrecycling ist komplexer, hierfür liegen laut Fraunhofer ISI noch keine Kostendaten vor.

„Das Ziel ist es, möglichst alle Bestandteile einer Batterie zu recyclen, damit diese wieder für den Bau neuer Batterien genutzt werden können und um so die Ressourcen zu schützen“, so Christian Kürpick, Projektleiter RETRON bei REMONDIS. Obwohl das Recycling der LIB noch kostspielig und aufwendig ist, geben hier Markt, Politik und Gesellschaft immer neue Impulse und treiben die Entwicklung neuer Methoden voran.

Wenn sich laut dem Fraunhofer ISI für die LIB hohe Sammelquoten und eine Rückgewinnung von 25 bis 30 Prozent des Lithiums aus Altbatterien gewährleisten lassen, könnte dies zehn bis 30 Prozent des jährlichen Bedarfs für die Produktion bis 2050 decken. Autohersteller könnten den Barwert der Batterie im Second Life im Anschaffungspreis miteinkalkulieren, was den Preis der Fahrzeuge weiter senken und eine erweiterte Nutzung von E-Autos fördern würde. Eins ist sicher: Logistik und Entsorgungswirtschaft sind an Bord und bereiten den Weg für ein holistisches, nachhaltiges Battery Life Cycle Management.

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Hier erhalten Sie den Überblick über Batteriekonzepte für E-Fahrzeuge von Rhenus Automotive Logistics:

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Kommentare

Für diesen Artikel gibt es 1 Kommentieren

RadekKimak

08.08.2021 - 19:50

Precious metal recycling is the best solution for the future, with increasing production, raw materials are a key component. The problem is again the technology of extraction from used battery cells, and we do not really know what types of energy systems the future will bring.

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