Mechanische Aufbereitung von Lithium-Ionen-Batterien in Abhängigkeit der Demontagetiefe
© Lehrstuhl fĂĽr Abfallverwertungstechnik und Abfallwirtschaft der Montanuniversität Leoben (11/2020)
Das Aufkommen von verbrauchten Lithium-Ionen-Batterien stellt ein wachsendes globales Problem dar. Speziell die Batteriesysteme aus automobilen Anwendungen können Dimensionen von mehreren hundert Kilogramm erreichen. Die Speichersysteme stellen nicht nur eine wichtige Quelle von sekundären Rohstoffen dar, sondern bergen auch ein hohes Gefahrenpotential. Damit stellt das Recycling dieses in der Menge sukzessiv zunehmenden Abfallstroms eine komplexe Aufgabe dar. Ein häufig eingesetzter erster Schritt im Recycling ist das manuelle Demontieren der Speichersysteme bis auf Modul- oder Zellebene. Die folgende Abhandlung ver-gleicht den Aufwand der mechanischen Aufbereitung mehrere Batteriesysteme in Abhängigkeit der Demontagetiefe und die sich daraus ergebenden Vor- und Nachteile. Dafür wurden verschiedene Batteriesysteme manuell demontiert und sowohl die Zeiten als auch die damit gewinnbaren Materialmengen bestimmt. Darüber hinaus wurden Batteriezellen und die Modulperipherie separat zerkleinert, klassiert und sortiert, um den Aufwand und Trennerfolg einer mechanischen Aufbereitung zu bestimmen.

Energieversorgung 2050 – Herausforderungen für die Abfallwirtschaft
© Lehrstuhl fĂĽr Abfallverwertungstechnik und Abfallwirtschaft der Montanuniversität Leoben (11/2020)
Die Erreichung der Ziele des Pariser Klimaübereinkommens be-dingt in verschiedenen Bereichen große Änderungen, etwa in der Energieaufbringung, im Verkehrswesen oder im Gebäudesektor. Bei der Energieaufbringung wird von einem massiven Ausbau der Windkraft sowie der Photovoltaik ausgegangen, bei der Mobilität von einem weitgehenden Umstieg auf Elektromobilität. Dies wird auch massiven Einfluss auf das Abfallaufkommen in der Zukunft haben. In einem Szenario des Umweltbundesamtes steigt die installierte Leistung von Photovoltaikanlagen zwischen 2017 und 2050 von 1.270 MW auf 26.400 MW, jene von Windkraftanlagen von 2.844 auf 10.500 MW und die Anzahl an batteriegetriebenen Pkws von 18.500 auf 5,3 Mio. Stück. Entsprechend werden nach der Nutzungsdauer zunehmend größere Mengen an Abfällen anfallen, für die teilweise Recyclingtechnologien noch in Entwicklung sind.

Aktives Vorbeugen von Bränden durch beschädigte Akkus in der Ersatzbrennstoffproduktion mit dem Lindner Feuer-Präventionssystem
© Lehrstuhl fĂĽr Abfallverwertungstechnik und Abfallwirtschaft der Montanuniversität Leoben (11/2020)
Eines der aktuellsten Probleme in der Aufbereitung von Abfällen zu Ersatzbrennstoffen (EBS) ist das hohe Brandrisiko, größtenteils bedingt durch die ständig steigende Anzahl an Lithiumbatterien im Restmüll. Werden diese beschädigt, kann eine chemische Reaktion in Gang gesetzt werden, welche zu enorm hohen Temperaturen führt. Dieser Umstand kann einerseits zu schweren Beschädigungen der Anlage und schlimmstenfalls zu einem Großbrand führen. Um diese Gefahrenquellen zu minimieren, erkennt das Lindner FPS (Feuer-Präventionssystem) überhitzte Partikel im Materialstrom, kühlt diese auf ein ungefährliches Niveau oder ermöglicht die sichere manuelle Entnahme von nicht kühlbaren Objekten.

Lithium-Ionen-Batterien: Anforderungen an das Recyclingverfahren der Zukunft
© Lehrstuhl fĂĽr Abfallverwertungstechnik und Abfallwirtschaft der Montanuniversität Leoben (11/2020)
Der Einsatz von wertvollen und teilweise kritischen Rohstoffen wie Kobalt, Nickel, Mangan und Lithium in Kathodenmaterialien sowie die prognostizierten Marktentwicklungen machen das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien zu einem abfallwirtschaftlich relevanten Thema. Dieser Beitrag beleuchtet die Entwicklung und Vielfalt dieser Kathodenmaterialien und leitet daraus Anforderungen an zukünftige Aufbereitungs- bzw. Recyclingverfahren ab. Die schnelle Weiterentwicklung der Zellchemismen hin zu nickelreichen Kathodenmaterialien stellt bestehende Verfahren vor wirtschaftliche Probleme und unterstreicht zusätzlich die Notwendigkeit eines flexiblen Prozesses, welcher mit einer variierenden chemischen Zusammensetzung des Abfallstromes zurechtkommen muss.

Untersuchungen zur mechanischen Entschichtung von Elektroden aus Lithium-Ionen-Altbatterien
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Der weltweite zunehmende Einsatz von LIB führt auch zu einer steigenden Menge von Produktions- und Konsumptionsrückständen, die unter Berücksichtigung der ökologischen und wirtschaftlichen Nachhaltigkeit entsorgt werden müssen. Idealerweise werden die Materialien aus den Neuschrotten oder Altbatterien in die Produktion neuer Batterien zurückgeführt. LIBs enthalten werthaltige Metalle, wie Aluminium, Eisen, Kupfer, Lithium, Kobalt, Nickel und Mangan. Diese Metalle, ausgenommen Eisen, bilden hauptsächlich die Stromleiterfolien und Beschichtungen der Elektroden. Aktuell werden Lithium-Ionen-Batterien industriell in Recyclingverfahren behandelt, die auf energie- und kostenintensiven pyrometallurgischen oder hydrometallurgischen Prozessen mit begrenzten Kapazitäten, niedrigen Recyclingraten und einer wirtschaftlichen Abhängigkeit von Kobalt und Nickel als Kathodenmaterialien basieren. Bei diesen Prozessen werden vornehmlich Kobalt, Nickel und Kupfer zurückgewonnen, wohingegen Lithium, Aluminium und Mangan in der Schlacke verbleiben und durch Verfüllung verwertet werden. In Zukunft wird angestrebt, die gesetzliche Recyclingeffizienz von 50 Masseprozent zu erhöhen, und speziell die Kathodenbeschichtungsmaterialien aus Produktionsrückständen direkt für neue Batterieanwendungen wiederzuverwenden (Werner et al. 2020).

Batterien aus der E-Mobilität in Second-Life-Anwendungen
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In der Abfallhierarchie Die gängigen Konzepte, bei denen preisgünstige Batterien technisch, aber auch wirt-schaftlich sinnvoll eigesetzt werden können. Diese Anwendungen konzentrieren sich alle primär auf den Bereich stationärer Speicher. Die genaueste, jedoch zeitlich aufwendigste Methode, ist ein Zyklentest. Hierbei wird die Batterie vollständig entladen und anschließen mit einer geringen Ladeleistung wieder vollständig geladen. Dabei wird der eingebrachte Strom gemessen.

Entwicklung einer vollständigen Wertschöpfungskette für Lithium-Ionen-Batterierecycling in Österreich
© Lehrstuhl fĂĽr Abfallverwertungstechnik und Abfallwirtschaft der Montanuniversität Leoben (11/2020)
Die Bedeutung von Elektrofahrzeugen, wie z.B. Batterie-Elektro-fahrzeuge, Pedelecs und Elektroroller, und damit die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien (LIB) wird in Zukunft zunehmen, womit die RĂĽckgewinnung wertvoller Me-talle (z.B. Cu, Co, Al, Ni) sowie Sicherheitsthemen im Rahmen einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft an Bedeutung gewinnen.

Elektrolok mit 2000 kg Re-Use-Lithium-Ionen-Batterien – Realisierung, Erfahrungen, Weiterarbeit
© Lehrstuhl fĂĽr Abfallverwertungstechnik und Abfallwirtschaft der Montanuniversität Leoben (11/2018)
Für Streckenteile, die nicht mit Fahrleitungsketten überspannt sind, greifen die Österreichischen Bundesbahnen (ÖBB) gegenwärtig auf Fahrzeuge zurück, deren Antriebskonzepte auf dieselbetriebenen Verbrennungskraftmaschinen basieren. Betreiber von Diesel-Flotten sind allerdings auf der Suche nach Alternativen um wesentliche Kostenfaktoren wie Energiekosten und Wartungskosten klein zu halten und Abgasnormen zu erfüllen, die in Kürze wirksam werden.

Entwicklungen bei der Verwertung von AlMn-Batterien
© Lehrstuhl fĂĽr Abfallverwertungstechnik und Abfallwirtschaft der Montanuniversität Leoben (11/2018)
Alkali-Mangan-Zellen (AlMn-Zellen) sind die größte Einzelfraktion der in Verkehr gebrachten Gerätebatterien und stellen gemeinsam mit den Zink-Kohle-Batterien, die im gleichen Recyclingprozess aufbereitet werden, einen sehr relevanten Abfallstrom dar.

Re-Use-Prozess fĂĽr Hochenergie-Lithium-Ionen-Akkumulatoren unbekannten Zustands
© Lehrstuhl fĂĽr Abfallverwertungstechnik und Abfallwirtschaft der Montanuniversität Leoben (11/2016)
Lithium-Ionen-Akkus mit gespeicherten Energien von etwa 15 bis 30 kWh bilden die gegenwärtigen Standard-Energiequellen für Elektroautos und stellen zugleich einen wesentlichen Kostenfaktor des Fahrzeugpreises dar. Im Fahreinsatz sind deutlich über 1.000 äquivalente Volllast-Zyklen zu erwarten, bis sich der nutzbare Energieinhalt aufgrund der betrieblichen Degradation um etwa 20 % verringert hat, sodass diese Akkus aus der weiteren Nutzung im Fahrbetrieb ausgeschieden werden. Bereits früher können Spontandefekte einzelner Zellen einen gesamten Fahrakku für den weiteren Fahreinsatz unbrauchbar machen. In beiden Fällen steht industrielles Recycling an, welches hier in der energetisch besonders günstigen Form von weitgehendem Re-Use realisiert werden soll.

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