Die steigende Nachfrage nach Lithium-Ionen-Akkus für Elektroautos, Smartphones und Laptops lässt den Bedarf an kritischen Rohstoffen massiv anwachsen. Verdeutlicht wird diese Entwicklung durch eine Studie der Unternehmensberatung Deloitte. Laut derer ist der Wert der deutschen Lithiumimporte zwischen 2013 und 2023 von 514 Millionen Euro auf 21 Milliarden Euro gestiegen – eine etwa vervierzigfache Steigerung. Da auch Metalle wie Kobalt und Nickel wirtschaftlich essenziell, aber schwer zugänglich sind, entstehen zunehmend problematische globale Abhängigkeiten.
Um diesen Herausforderungen zu begegnen, entwickeln Forschende am Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM ein innovatives elektrochemisches Verfahren. Diese Technologie soll dabei helfen, knappe Rohstoffe beim Batterie-Recycling effizient zurückzugewinnen. Künftig soll sie sogar helfen, Seltene Erden aus Elektroschrott zu extrahieren. Dr. Julian Schwenzel erläutert das Ziel des Projekts: „Wir möchten wertvolle Rohstoffe und Seltene Erden mit einer hohen Ausbeute und Reinheit zurückgewinnen – und so den Produktkreislauf schließen und Abhängigkeiten reduzieren.“
Mehr Unabhängigkeit von kritischen Rohstoffen
Im Projekt „MeGaBat – Methoden zur elektrochemischen Gewinnung aktiver Batteriematerialien“ entwickeln Forschende ein elektrochemisches Verfahren, um Lithium, Kobalt, Nickel und künftig auch Seltene Erden beim Recycling effizient zu isolieren. Das zentrale Konzept sieht vor, das beim Recycling anfallende Prozesswasser in einen Reaktor mit zwei speziellen, am Fraunhofer IFAM mittels Siebdruck hergestellten Elektroden zu leiten. Dr. Cleis Santos erläutert die Funktionsweise: „Dank ihrer speziellen Eigenschaften entziehen die Elektroden dem Abwasser gezielt Ionen und speichern diese. So können sie etwa Lithium-Ionen binden – und wir erhalten am Ende des Prozesses den separierten Stoff in Pulverform und hoher Reinheit.“
Selektive Rohstoffrückgewinnung ohne Chemikalien
Nach der Isolation des gewünschten Stoffes wird das gereinigte Wasser in den Kreislauf zurückgeführt. Durch eine entsprechende Anpassung der Elektroden lassen sich zudem weitere knappe Rohstoffe wie Kobalt, Nickel oder Kupfer gezielt aus dem Abwasser binden. Dr. Santos erklärt hierzu: „Langfristig ist es denkbar, dass in einer großen Anlage das Abwasser durch mehrere Reaktoren geleitet wird. So könnten wir innerhalb derselben Anlage unterschiedliche kritische Rohstoffe recyceln.“ Im Gegensatz zu herkömmlichen hydrometallurgischen Verfahren, die oft CO2- und energieintensiv sind, verzichtet diese neue Technologie vollständig auf Chemikalien wie Laugen oder Säuren, verbraucht weniger Energie und erweist sich damit als deutlich kosteneffizienter.
Nachhaltige Batterieproduktion: Höhere Effizienz und geringere Importabhängigkeit
Neben der hohen Reinheit der gewonnenen Stoffe lässt sich die Effizienz des gesamten Verfahrens Schätzungen zufolge um 30 bis 40 Prozent steigern. Dr. Schwenzel sieht darin einen entscheidenden Vorteil: „Gemäß EU-Vorgaben müssen Hersteller künftig häufiger den gesamten CO2-Fußabdruck vom Rohstoff bis zum Produkt nachweisen, in neuen Produkten muss außerdem mehr recyceltes Material eingesetzt werden. Die Frage nach Effizienz und Qualität der Rückgewinnung wird also immer wichtiger.“ Nachdem die Technologie im Labor des Fraunhofer IFAM bereits erfolgreich erprobt wurde, arbeitet das Team nun an einer großen Pilotanlage. Dort soll künftig auch die Rückgewinnung Seltener Erden aus Elektroabfällen möglich sein, was eine strategische Wende bedeuten würde: „Bislang müssen wir Seltene Erden zu 100 Prozent importieren. Diese Abhängigkeit könnten wir dank unseres Verfahrens reduzieren“, so Gruppenleiterin Santos.