gesponsertKreislaufwirtschaft für Altbatterien Zuverlässige Messtechnik für effizientes Batterierecycling

Gesponsert von

Endress+Hauser (Deutschland) GmbH+Co. KG

Ob Autobranche, Elektronikfertigung oder Chemieindustrie – der Bedarf an Rohstoffen steigt rasant. Die Lösung: Ressourcen effizienter nutzen, Abhängigkeiten von Rohstoffimporten reduzieren und die Umweltbelastung minimieren. Zuverlässige Messtechnik weist den Weg für eine effiziente Kreislaufwirtschaft für Altbatterien.

Um eine echte Kreislaufwirtschaft für Batterien und Akkus zu erreichen, den sogenannten „closed loop“, müssen die in der Batterieherstellung verwendeten Aktivmaterialien, Kunststoffe und Metallfolien nahezu vollständig zurückgewonnen werden. „Während der asiatische Markt bei Know-how und Recyclingkapazitäten weit voraus ist, fehlt es in Europa trotz vorhandenen Wissens noch an ausreichender Infrastruktur“, so Dustin Kubas, Product Manager Sales Marketing bei Endress+Hauser Deutschland.

Mit der neuen EU-Batterieverordnung (EU-BattVO) rückt dieses Ziel näher: Verbindliche Recyclingquoten und eine stärkere Nutzung zurückgewonnener Materialien sollen den Batteriekreislauf optimieren. Doch in der Praxis entscheidet nicht nur die Regulierung über den Erfolg, sondern vor allem die technologische Umsetzung.

Ohne Messtechnik keine Kreislaufwirtschaft

Genau hier spielt die Messtechnik eine entscheidende Rolle. Sie ermöglicht eine hochwertige Qualitätskontrolle, eine effiziente Materialrückgewinnung und nachhaltige Produktionsprozesse. Denn nach wie vor stellt die Sicherstellung stabiler Materialströme sowie die transparente Herkunftsnachverfolgung der eingesetzten Materialien eine große Herausforderung dar. Erst mit der passenden Messtechnik lässt sich der Materialkreislauf erfolgreich schließen, zudem sorgt sie für das Einhalten wichtiger Qualitätsparameter im Prozess. So können die Folgeschritte ideal aufeinander abgestimmt werden.

Bildergalerie

Derzeitige Herausforderung: „Ohne ausreichende Mengen an Sekundärmaterialien lassen sich die vorgeschriebenen Quoten nicht erreichen“, mahnt Kubas. Gleichzeitig ist, ohne eine verlässliche Rückverfolgbarkeit der Materialien, der Recyclinganteil schwer nachzuweisen. Um beide Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen, sind erhebliche organisatorische und technologische Anpassungen in der Industrie nötig. „Von Vorteil wäre beispielsweise die Einführung eines Batteriepasses, der dem Recyclingunternehmen die Zusammensetzung des Akkus verrät, oder auch Standards für die Bauform“, wünscht sich Kubas. Denn ein zentrales Problem beim Recycling von Lithium-Ionen-Akkus ist die enorme Vielfalt an Zellchemie, Bauformen und Designs, die je nach Hersteller und Anwendungsbereich variieren. Diese Unterschiede erschweren die Wirtschaftlichkeit einer standardisierten Wiederaufbereitung.

Wie lässt sich der Rohstoffeinsatz reduzieren?

Die Herstellung von Batterien ohne Rohstoffabbau wird auf längere Sicht kaum möglich sein. Gerade deswegen lohnt es sich aber, darüber nachzudenken, wie sich der Rohstoffeinsatz reduzieren oder vielleicht neu denken lässt. Dafür müssen die einzelnen Schritte im Recyclingprozess genauer betrachtet werden. Jeder dieser Teilschritte hat besondere Ansprüche an die Prozesssicherheit oder Materialbeständigkeit. Ist die Schutzgasatmosphäre noch intakt? Ist der Ofen heiß genug? Liegt mein pH-Wert im richtigen Bereich, damit die Produktqualität stimmt? Auch auf diese Fragen bietet die Messtechnik eine zuverlässige Antwort.

Mechanische Zerlegung – der erste Schritt des Recyclingprozesses

Am Anfang der Prozesskette – nach der Entladung – steht die mechanische Zerlegung. Hier ist eine zuverlässige Überwachung des Materialflusses und der Sicherheitsvorkehrungen entscheidend, um einen reibungslosen und effizienten Ablauf sicherzustellen. Präzise Füllstandmessungen sichern zum Beispiel die gewünschte kontinuierliche Beladung der Förderbänder und Sammelbehälter. Mit der Druckmesstechnik werden die Schutzgasatmosphäre sowie der Zustand von Filterpressen überwacht. Zuverlässige Inline-Mess- und Überwachungssysteme erkennen frühzeitig Belagsbildung in Prozessleitungen, bevor Blockaden entstehen. So bleibt der Materialfluss kontinuierlich, und die Weiterverarbeitung kann unterbrechungsfrei fortlaufen.

Nach der mechanischen Zerlegung stehen zwei Hauptwege für die Rückgewinnung der Inhaltsstoffe zur Verfügung: das pyrometallurgische und das hydrometallurgische Verfahren.

Direkt in den Ofen: pyrometallurgisches Verfahren

Das pyrometallurgische Recycling kann direkt nach der Zerkleinerung oder nach einem Sortierungsschritt zur Abtrennung der Gehäuse und Folienbestandteile genutzt werden. Zum Einsatz kommen Hochtemperaturöfen, um die übrigen Batteriebestandteile zu schmelzen und zu verbrennen. Übrig bleiben Metalle wie Kobalt, Lithium, Nickel, Mangan, Aluminium & Kupfer in einer Schlacke. Diese kann beispielsweise in der Metallindustrie veredelt sowie in der chemischen Industrie für die Herstellung hochwertiger Verbindungen wiederverwendet werden.

Dieses Verfahren ist einfacher in der Umsetzung als die hydrometallurgische Methode, da es ohne eine aufwändige Vorbehandlung auskommt. Die mechanisch zerkleinerten Altbatterien können direkt eingeschmolzen werden. Kohlenstoffhaltige Bestandteile wie Graphit, Elektrolyte und Kunststoffteile fördern die Verbrennung. Allerdings ist der Prozess trotzdem äußerst energieintensiv, da die Batteriebestandteile bei Temperaturen über 1.500 °C geschmolzen bzw. verbrannt werden. Dadurch entstehen erhebliche CO₂-Emissionen sowie weitere Schadstoffe, die über aufwändige Abgasreinigungsanlagen gefiltert werden müssen. Besonders der hohe Schadstoffausstoß durch die Verbrennung organischer Bestandteile stellt eine Herausforderung für die Umwelt dar. Außerdem gehen beim Verbrennungsvorgang der Kreislaufwirtschaft wertvolle Rohstoffe wie Graphit und Elektrolyte verloren.

Hier ist eine präzise Steuerung der Materialströme und Prozessparameter essenziell, um den Energieverbrauch zu optimieren und Emissionen zu reduzieren. Zuverlässige, schnell ansprechende und hochgenaue Temperaturmesstechnik erschließt ein großes Einsparpotenzial bei energieintensiven Prozessen. Darüber hinaus trägt die präzise Erfassung des Luft- und Gasdurchflusses zur Optimierung der Verbrennungsvorgänge bei und verbessert Emissions- und Energiebilanz.

Der Schmelzprozess führt zu einem gemischten Metallprodukt, in dem mehrere Metalle in einer Schlacke zusammengefasst sind. Diese Schlacke muss in nachgelagerten Prozessen weiter aufbereitet werden, um einzelne Metalle gezielt zurückzugewinnen, was zusätzlichen Energieaufwand und chemische Trennverfahren erfordert. Insbesondere das begehrte Lithium kann hier nur unter besonderem Aufwand zurückgewonnen werden.

Podcast-Tipp: Eigentlich haben wir alles, was wir brauchen, um in die zirkuläre Zukunft zu starten – sagt Dr. Dustin Kubas, Product Manager Sales Marketing für Flüssigkeitsanalyse bei Endress+Hauser:

Hydrometallurgisches Verfahren bietet höhere Rückgewinnungsraten

Das hydrometallurgische Verfahren hingegen setzt auf chemische Extraktionsprozesse, um wertvolle Metalle selektiv aus der sogenannten schwarzen Masse zurückzugewinnen. Im Vergleich zum pyrometallurgischen Recycling bietet diese Methode eine höhere Rückgewinnungsrate der Einzelkomponenten und hat einen geringeren Energiebedarf. Allerdings bringt dieses Verfahren weitere Prozessschritte mit sich. Nach der mechanischen Zerkleinerung wird zuerst aufgetrennt und sortiert, dabei werden zwei Hauptfraktionen gebildet:

• Eine trockene Fraktion aus Metall- und Kunststoffstücken, die sortenrein sortiert werden können. Diese können direkt in den Materialkreislauf zurückgeführt werden.

• Als zweite Fraktion entsteht eine feuchte, tiefschwarze Masse, bestehend aus den ehemals aktiven Batteriematerialien und flüssigen Komponenten, wie dem Elektrolyten.

Die Trocknung geschieht über eine Filterpresse oder durch Unterdruck. Der abgetrennte Elektrolyt kann ebenfalls direkt wieder in den Materialkreislauf zurückgeführt werden. Die daraus entstandene trockene schwarze Masse wird in chemischen Laugungs- und Fällungsprozessen aufgetrennt.

Ein entscheidender Faktor für effiziente Laugungsprozesse ist die präzise Dosierung und Kontrolle der eingesetzten Chemikalien, da aggressive Säuren zur Metalllösung und Fällungsreagenzien zur Produktgewinnung verwendet werden. Hier stellt die zuverlässige Erfassung von pH-Wert, Leitfähigkeit, Durchfluss und Temperatur stabile Prozessbedingungen sicher und trägt maßgeblich zur Selektivität und Qualität der Rohstoffrückgewinnung sowie dem sparsamen Ressourceneinsatz bei. Am Ende des hydrometallurgischen Verfahrens stehen entweder sortenreine Produkte oder definierte Mischungen, die direkt in der Produktion neuer Lithium-Ionen-Akkus verwendet werden können.

Fazit: Egal, welches Verfahren letztendlich zum Einsatz kommt: „Die Messtechnik spielt in jedem Fall eine entscheidende Rolle für die Kreislaufwirtschaft. Nur was gemessen wird, kann auch optimiert werden“, so Kubas abschließend. „Nur so können die vielfältigen Prozesse im Batterierecycling effizienter werden. Auch der Aufwand für die Inbetriebnahme sowie zuverlässige Wartung und Instandhaltung wird besser planbar.“ Kurzum – zuverlässige und effiziente Messtechnik hilft nicht nur Rohstoffe und Energie zu sparen, sondern ist der Schlüssel für eine gut funktionierende Kreislaufwirtschaft.

(ID:50574365)