Automatisiertes Recycling befeuert batteriebetriebene Zukunft

Batterien spielen bei der Elektrifizierung von Transport und Verkehr sowie einer vermehrten Nutzung erneuerbarer Energien eine entscheidende Rolle. Außerdem sind diese ein wichtiger Bestandteil des oft geforderten Energiemixes. Unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringert sich und nachhaltigere Energietechnologien gewinnen an Bedeutung – auch um sich den Zielen der UN-Weltklimakonferenz COP28 zu nähern.

Dies alles trägt dazu bei, dass sich der Batteriemarkt im Aufwind befindet, wobei die Bereiche Energie und Transport die Nachfrage besonders ankurbeln. Laut Internationaler Energieagentur (IEA) macht der Energiesektor über 90 Prozent der gesamten Batterienachfrage aus. Allein 2023 sei der Einsatz von Batterien in dieser Branche im Vergleich zum Vorjahr um mehr als 130 Prozent gestiegen, so die IEA, und die Elektrizitätssysteme weltweit seien um insgesamt 42 Gigawatt erweitert worden. Energiespeicherung entwickelt sich zu einer immer wichtigeren Anwendung für Batterien, denn sie ermöglichen es, erneuerbare Energien zu speichern. Im Verkehrssektor tragen Batterien dazu bei, dass sich E-Autos, -Fahrräder, -LKW, -Busse und andere batteriebetriebene Fahrzeuge weiter durchsetzen.

Ein Hauptproblem ist die fehlende Standardisierung bei Batteriechemie und die Batteriekonstruktion. Derzeit weiß niemand ganz genau, was die Batterien enthalten, die sich aktuell im Umlauf befinden.

1. Recyclingunternehmen haben zwar Datenbanken aufgebaut, die sie konsultieren können, um ein Batteriemodell zu identifizieren und die in einer bestimmten Batterie verwendeten Materialien zu bestimmen. Doch selbst wenn sie eine Übereinstimmung finden, gibt es keine Garantie dafür, dass die Batterie, die sie vor sich haben, exakt mit der Datenbank übereinstimmt. Im Laufe ihrer Lebensdauer unterliegen Batterien irreversiblen chemischen und strukturellen Veränderungen, die zu einer Materialverschlechterung führen können. Zudem können Änderungen bei den Rohstofflieferanten während des Lebenszyklus eines bestimmten Subtyps zu Änderungen in der Zusammensetzung führen.
2. Ein weiteres Problem für Recyclingunternehmen, die Rohstoffe aus Batterien gewinnen und wiederverwerten möchten, ist die Qualität. Lithium muss beispielsweise hundertprozentig rein sein, um wiederverwendet werden zu können. Wenn es während des Recyclingprozesses auch nur geringfügig verunreinigt wird, ist es für die Wiederverwendung ungeeignet.
3. Es ist zu bedenken, dass nicht alle Batterien in gutem Zustand zurückgegeben werden und Schäden nicht immer sichtbar sind. Das kann für Recyclingunternehmen schwer zu beurteilen sein. Beispiel: Ist eine Autobatterie in einen Unfall verwickelt gewesen oder wurden die Bezeichnungen einer Batterie abgewaschen, kann sich das negativ auf die Recyclingfähigkeit auswirken.

Beim Batterierecycling geht es nicht allein um die Rückgewinnung von Rohstoffen für die Herstellung neuer Batterien, sondern auch um die Reparatur und Wiederverwendung von Batterien für einen zweiten Lebenszyklus. Sobald die Kapazität einer Batterie unter typisch 80 Prozent fällt – das Niveau, welches für Elektrofahrzeuge als akzeptabel gilt –, gibt es keinen Grund, warum sie nicht als Teil einer Energiespeicherlösung ein zweites Leben erhalten kann.

Dies führt jedoch zu weiteren Herausforderungen und Recyclingunternehmen müssen einen langen Entscheidungsprozess durchlaufen, um festzustellen, ob eine Batterie für Second-Life-Anwendungen geeignet ist, bevor sie sie öffnen. Sie müssen außerdem sicherstellen, dass sie über genügend Batterien desselben Typs für Energiespeicherprojekte mit hoher Kapazität verfügen, bei denen die Verwendung verschiedener Batterietypen keine Option ist.

Aufgrund der Herausforderungen ist das Auseinanderbauen von Batterien für das Recycling nach wie vor ein vollständig manueller Prozess. Im Wesentlichen handelt es sich um einen umgekehrten Herstellungsprozess, bei dem Elektronik und Chemikalien getrennt voneinander entfernt werden müssen. Dies ist nicht nur eine langsame und mühevolle Aufgabe, wenn sie von Mitarbeitern händisch ausgeführt wird, sondern auch eine gefährliche. Die Batterie muss vor der Demontage entladen werden, da ein Arbeiter, der mit den aktiven Teilen einer geladenen Batterie in Kontakt kommt, einen schweren Stromschlag erleiden könnte. Auch giftige Materialien wie Lösungsmittel oder Elektrolyte stellen beim Umgang mit Batterien ein ernstzunehmendes Gesundheits- und Sicherheitsrisiko dar.

Die neue EU-Batterieverordnung ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Schaffung einer sicheren Kreislaufwirtschaft für Batterien und ihre Bestandteile. Neben der Einführung von Zielvorgaben für die Recyclingeffizienz, die stoffliche Verwertung und den Recyclinganteil enthält die Verordnung diverse Anforderungen, die genau die Probleme adressieren, mit denen Recyclingunternehmen derzeit konfrontiert sind.

Eine zentrale Bedingung der EU-Verordnung ist, dass sich die in Fahrzeugen und elektrischen Geräten verwendeten Batterien herausnehmen lassen. Diese Vorgabe wird nicht nur die Lebensdauer der Produkte verlängern, sondern auch die Entnahme von Batterien zu Recyclingzwecken erleichtern.

Eine weitere Anforderung ist, dass ab 2027 alle elektronischen Fahrzeug- und Industriebatterien über zwei Kilowattstunden, die auf dem EU-Markt verkauft werden, einen eindeutigen Batteriepass benötigen, der via QR-Code abrufbar ist. Der Batteriepass wird das Batterierecycling grundlegend verändern, da er hilft, viele Unsicherheiten in Bezug auf die Batteriezusammensetzung zu beseitigen.

Es wird noch dauern, bis die digitalen Pässe für Recyclingunternehmen von praktischem Nutzen sind. Batterien haben eine Mindestlebensdauer von acht Jahren, wobei ihre tatsächliche Lebensdauer in der Regel eher bei 15 Jahren liegt. Das bedeutet, dass die ersten Batterien mit digitalen Pässen frühestens ab 2035 für das Recycling zur Verfügung stehen werden und dass Batterien ohne Pässe noch 2040 in Gebrauch sein werden. In der Zwischenzeit müssen dringend technologiegestützte Zustandsprüfungs- und Messverfahren weiterentwickelt werden.

Intelligente Automatisierung ist der Schlüssel zum sicheren und effizienten Sortieren und Zerlegen von Batterien, damit sie problemlos recycelt werden können. Bildverarbeitungs- und Sensortechnologien lassen sich mit Datenanalyse und KI kombinieren, um den jeweiligen Batterietyp zu identifizieren; Roboter können gefährliche Aufgaben wie das Transportieren, Öffnen, Entladen und Zerlegen der Batterie übernehmen, ohne Mitarbeiter zu gefährden, und digitalisierte Prozesse können die Trennung der so genannten „aktiven Masse“ unterstützen.

Omron ist Partner im deutschen Forschungsnetzwerk DiLiRec, das sich in den kommenden drei Jahren auf die Entwicklung nachhaltiger Recyclingprozesse für das Kathodenmaterial Lithiumeisenphosphat (LFP) konzentriert. Effizientes Sortieren von Batteriezellen, Demontage und Elektrodenablösung (auch Stripping genannt) sowie die systematische Erfassung von Daten in den Teilprozessen des Batterierecyclings wurden hierbei bereits als Voraussetzungen für ein effizientes LFP-Recycling identifiziert. Omron unterstützt das Netzwerk aus Batterieherstellern, Forschern und Recyclingunternehmen mit seiner langjährigen Expertise in den Bereichen Robotik, Datenanalytik sowie KI-gestützte Bildverarbeitung und Sensorik.

Die mangelnde Autonomie Europas in der Batterieproduktion bedroht das Wachstum der E-Mobility- und Energiebranche. Der Ausbau einer regionalen Batterierecycling-Infrastruktur ist der Schlüssel zur Sicherung der Rohstoffversorgung dieser Industrien und zur Schaffung einer Kreislaufwirtschaft, die notwendig ist, um das Nachhaltigkeitspotenzial batteriebetriebener Technologien auszuschöpfen. Automatisiertes Sortieren und Zerlegen von Batterien ist ein kleines, aber entscheidendes Stück in diesem Puzzle. Omron ist stolz darauf, Teil einer Bewegung zu sein, die ein neues Paradigma bei Batteriefertigung und -recycling vorantreibt.

überarbeitet von: Frank Bieber