Lithium-Recycling Evonik entwickelt effizientere Technik zur Rückgewinnung von Lithium

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Das Spezialchemieunternehmen Evonik will das Recycling von Lithium einfacher, wirtschaftlicher und umweltschonender machen. Eine Lithium-Ionen-selektive Keramikmembran bildet dabei den Kern der neuen Technologie.

Lithium ist für Antriebsbatterien in Millionen von E-Autos unverzichtbar. Doch nach Gebrauch endet es heute noch zu rund 95 % im Müll. Forscher von Evonik haben daher neue Wege beschritten – und setzen für ein effizientes Lithium-Recycling auf einen elektrochemischen Prozess mit einer Keramikmembran. Die Technik durchläuft derzeit im Versuchsmaßstab bereits Tests. Dem Unternehmen zeichnet sie sich durch hohe Effizienz aus und liefert hochreines, für die Fertigung neuer Batterien geeignetes Lithiumhydroxid. Was im Labor funktioniert, soll weiter Fahrt aufnehmen – der Konzern forscht dazu in Hanau und Marl. Die Fachleute sind zuversichtlich, dass sie das Keramikmembran-Verfahren in drei bis fünf Jahren bis zur Marktreife entwickelt haben.

Elisabeth Gorman, bei Evonik Expertin für Lithium-Recycling, erwartet parallel dazu einen wichtigen Wendepunkt: „In ein paar Jahren sind viele Lithium-Ionen-Batterien am Ende ihrer technischen Lebenszeit. Sprunghaft steigen damit bald also auch die Mengen an Altbatterien, die sich fürs Lithium-Recycling eignen. Außerdem entstehen gerade neue Produktionsstätten, um für E-Autos auch in Europa massenhaft Antriebsbatterien herzustellen. Da fällt lithiumhaltiger Produktionsausschuss an. Ein dritter Faktor ist der Gesetzgeber – speziell in der EU drängt er mehr und mehr darauf, dass wertvolle Rohstoffe dem Wertschöpfungskreislauf erhalten bleiben. Für Cobalt und Nickel gelingt das schon gut – bei Lithium mit einer Rückgewinnungsrate von derzeit unter fünf Prozent noch nicht.“

Gorman ist bei Creavis, strategische Innovationseinheit und Business Incubator von Evonik, für das Thema Marktentwicklung von Lithium-Recycling verantwortlich und kennt die Vorgaben: In der EU müssen in vier Jahren künftig mindestens 35 % des in Altbatterien enthaltenen Lithiums zurückgewonnen werden. Ab 2030 muss der Anteil auf 70 % steigen. Auch China und die USA haben bereits staatliche Regelungen für die Aufarbeitung von Lithium.

Bisherige Prozesse zur Wiedergewinnung von Metallen aus Altbatterien basieren entweder auf Schmelzverfahren (pyrometallurgisch), auf Laugungsverfahren (hydrometallurgisch) oder auf einer Kombination von beidem. Für die Rückgewinnung von Cobalt und Nickel haben sich diese Verfahren bewährt. Auch konventionelle Aufarbeitungsmöglichkeiten für Lithium haben hydrometallurgische Verfahren als Basis. Sie sind jedoch kostenintensiv, benötigen viel Energie und Wasser, eine Reihe von Zwischenschritten und zusätzliche Chemikalien – gute Gründe also, um nach besseren Alternativen zu suchen.

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Fachleute des Spezialchemieunternehmens entwickeln deshalb eine Lithium-Ionen-selektive Keramikmembran. Sie ist Kernstück eines elektrochemischen Verfahrens. Lithiumsalze sollen sich damit zielgenau und effizient aus Batterieabfällen zurückgewinnen lassen – unter möglichst geringem Einsatz von Energie und Chemikalien. Ausgangsstoff dabei ist Schwarzmasse. So nennen Fachleute das, was von ausgedienten Lithium-Ionen-Akkus übrigbleibt, nachdem Kunststoffteile entfernt sind und der Rest zu Pulver zermahlen ist. Das Schwarzmasse-Pulver enthält ein Gemisch aus Lithium, Cobalt, Nickel und Mangan. Bei der Aufbereitung dieser Schwarzmasse entstehen lithiumhaltige Laugungsflüssigkeiten. Das Forscherteam von Evonik arbeitet diese Recyclingflüssigkeiten mit Hilfe einer Lithium-Ionen-selektiven keramischen Membran elektrochemisch auf.

Dabei ist die Membran „wählerisch“: Von der Seite mit der Recyclingflüssigkeit und einer positiv geladenen Anode gibt sie nur den positiv geladenen Lithiumkationen den Weg auf die andere Seite mit der negativ geladenen Kathode frei. Dort bilden die Lithiumionen mit Hydroxid hochreines Lithiumhydroxid. Es hat fast 100 % Reinheitsgrad und eignet sich damit als Rohstoff für die Batterieherstellung.

Durch den kontinuierlichen Wandel von Verbrennern hin zu E-Autos dürfte die Lithium-Nachfrage noch steigen. Experten prognostizieren, dass Recycling langfristig etwa 25 % des Rohstoffbedarfs an Lithiumsalzen beisteuert. Es könnte zugleich Eingriffe in die Landschaft begrenzen und Lieferabhängigkeiten deutlich reduzieren. Elisabeth Gorman ist zuversichtlich, dass Evonik mit der neuentwickelten Membran in einigen Jahren eine Lösung in der Hand haben wird, die effizientes Lithium-Recycling ermöglicht - und auch in der Praxis nachhaltig überzeugt.

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