Lithium-Ionen-Batterien, wie sie in Elektroautos, Handys oder elektrischen Werkzeugen zum Einsatz kommen, enthalten wertvolle Metalle wie Kobalt, Nickel oder eben das namensgebende Lithium. Haben die Akkus das Ende ihres Lebenszyklus erreicht, will man diese Metalle wiederverwerten. Um sie rückzugewinnen, gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten: die Pyrometallurgie, bei der mit Hitze gearbeitet wird, oder hydrometallurgische Verfahren, bei denen Lösungsmittel angewandt werden.
Mit der zweiten Variante hat sich das Team des Lehrstuhls für Nichteisenmetallurgie an der Montanuni Leoben unter der Leitung von Eva Gerold beschäftigt. „Ursprünglich wurde für die Lösung der Wertmetalle Schwefelsäure verwendet. Die muss aber immer wieder gereinigt und aufkonzentriert werden. Das kostet Energie und belastet die Umwelt. Außerdem ist Schwefelsäure nicht so einfach im Handling“, schildert Gerold.
Ihr Team habe deshalb den Weg über organische Säuren gewählt. Diese würden zum Beispiel von Bakterien und Pilzen erzeugt, kämen aber auch in Pflanzen vor. Gelandet ist das SeLiReco-Team bei Zitronensäure. „Damit lösen wir die sogenannte Schwarzmasse, die aus den Metallen und Grafit besteht, von den Anoden, Kathoden und Folien aus Kupfer und Aluminium in der Batterie. Die Akkus werden dafür erst geschreddert, Gehäuse und Leiterplatten werden abgetrennt. Dann kommt der Rest in einen Laugenreaktor, in dem sich relativ gering konzentrierte Zitronensäure befindet. Die Wertmetalle gehen darin in Lösung, das Grafit bleibt übrig und kann getrennt aufbereitet werden.“
Gemeinsam mit Partnern aus der Wirtschaft haben Gerold und ihr neunköpfiges Team fünf Jahre an dem Projekt gearbeitet. Mit Erfolg: die Lithium-Kobalt-Nickel-Abtrennung läuft bereits im größeren Maßstab. Weltweit, so Gerold, seien gerade die ersten hydrometallurgischen Recyclingwerke im Aufbau. Bisher sei das Interesse an dieser Art der Stofftrennung nicht so hoch gewesen, weil zu wenig Ausgangsmenge angefallen sei, erklärt die Wissenschaftlerin. „Die neue Batteriedirektive der EU, die seit Juni eine bestimmte Recyclingquote vorschreibt, hat das geändert.“
Bisher hätten nämlich 50 Prozent der Gesamtmasse eines Akkus wiedergewonnen werden müssen. „Jetzt gilt eine Quote, die sich auf die einzelnen Elemente bezieht.“ Das mache den Betrieb hydrometallurgischer Anlagen rentabel.
Der in Leoben entwickelte Prozess ist nicht nur effektiv, sondern auch schnell. Sechs bis acht Stunden dauert es, bis die Metalle aus der Schwarzmasse gelöst sind. „Wenn die Anlagenparameter richtig eingestellt sind“, schränkt Gerold ein. Das sei immer wieder notwendig, weil sich aufgrund der Weiterentwicklung der Akkus auch die Zusammensetzung der Schwarzmasse laufend verändere. „In Batterien aus dem Jahr 2015 war das Verhältnis von Kobalt zu Nickel zu Mangan noch eins zu eins zu eins. Heute sind es neun Teile Nickel und je ein halber der anderen beiden Metalle.“
Gerade die Rückgewinnung des Kobalts habe auch einen humanistischen Aspekt, versichert Gerold: „Das Metall wird vorwiegend in der Demokratischen Republik Kongo abgebaut. Dies geschieht häufig im Kleinbergbau, in dem unter schwierigen Arbeitsbedingungen abgebaut und der auch immer wieder mit Kinderarbeit in Verbindung gebracht wird.“
Ein ganz anderes Kapitel sind für die Leobener Forscher die Lithium-Eisen-Batterien. Diese werden wegen ihrer hohen Betriebssicherheit gerne in stationären Anlagen wie in Speichersystemen für die Photovoltaik eingesetzt. „Die Trennung der Metalle bei diesem Akkutyp muss anders funktionieren“, sagt Gerold. Es sei ein neuer, eigener Forschungsbereich, an der Montanuni habe man aber bereits entsprechende Konzepte. Für die nachhaltige Rückgewinnung mittels SeLiReco-Prozess hat das Team der Montanuni übrigens den Energy Globe Styria Award erhalten.
