Yu Haijun und Xie Yinghao

Traditionelle Recyclingmethoden für Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere für die als Kathodenmaterialien verwendeten Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Oxide (NCM), sind energieintensiv und chemisch kompliziert. Dabei werden die Batterien in Grundverbindungen zerlegt, wofür große Mengen an Wasser, Säuren, Laugen und Energie verbraucht werden. Außerdem fallen Sekundärabfälle an. Häufig sind die so zurückgewonnenen Rohstoffe von minderer Qualität, sodass sie für die Herstellung neuer Batterien nicht geeignet sind.

Das Team von Brunp Recycling hat eine Alternative dazu entwickelt. Bei seinem umgekehrten Ansatz wird die vorhandene Struktur der Kernzellen der Batterie einschließlich des Aluminiums des Pluspols als funktionaler Input und nicht als Abfall behandelt. Zunächst werden die ausgedienten Batterien physisch zerlegt und die Stäbe der positiven Elektrode extrahiert. Diese werden dann mit einem speziellen Schlackenmittel und Restaluminium vermischt, , bevor eine thermisch induzierte Reaktion erfolgt. Es entsteht eine besondere Nickel-Kobalt-Mangan-Legierung, die weiter behandelt wird, sodass daraus ein Pulver mit poröser Struktur wird. Fügt man diesem Pulver das Element Lithium hinzu, lässt sich durch Sinterung ein hochwertiges Kathodenmaterial erzeugen.  

Angaben des Unternehmens zufolge lassen sich die Metalle durch dieses Verfahren nahezu vollständig wiederverwerten: Für Nickel, Kobalt und Mangan liegt die Quote bei 99,6 %, für Lithium bei 96,5 %. Der Säure- und Laugenverbrauch sinkt um 73 %, das Verfahren ist zudem um über 18 % schneller als der traditionelle Hydrometallurgie-Prozess, was einen höheren Durchsatz ermöglicht und für die im großindustriellen Maßstab anfallenden Volumina nützlich ist. Beim Recycling von Nickel, Kobalt und Lithium fallen um rund 80 % geringere Treibhausgasemissionen an als beim Abbau dieser Rohstoffe. Die Gesamtleistung der in globalen Elektrofahrzeugen verbauten Batterien summiert sich inzwischen auf über 1 000 GWh und Batterien mit einer Leistung von 190 GWh haben bereits ausgedient. Die Rückgewinnung von Rohmaterialien aus alten Batterien kann also den Rohstoffabbau deutlich verringern.  

Die Vision von einer Kreislaufwirtschaft umsetzen

Die Erfindung ergab sich aus der praktischen Erfahrung des Teams in der Batterieproduktion und im Abfallmanagement. Anfang der 2000er-Jahre stellte das Team fest, dass ein sachgerechter Umgang mit Altbatterien immer größere Probleme aufwarf und dass China von Rohstoffimporten abhängig war. Als Reaktion darauf wurde Brunp Recycling gegründet. Das Team beschäftigte sich langfristig mit skalierbaren Recyclingtechnologien. 2006 trat Haijun ins Unternehmen ein, Xie Yinghao folgte 2013. Beide forschen seit Langem auf dem Gebiet Batterierecycling und Nutzungstechnologien. Sie trieben die Innovation in ihrem Unternehmen entscheidend voran.

Bei der Entwicklung von Technologien zur Rückgewinnung von Rohstoffen aus ausgedienten Batterien ergaben sich immer wieder neue Herausforderungen. Xie Yinghao erinnert sich: "Das erste Problem bestand darin, dass die Versuchsdurchführung äußerst kompliziert war. Wir mussten vieles versuchen und viele Rückschläge hinnehmen, bis wir endlich die richtigen Ergebnisse bekamen. Und dann war es gar nicht so einfach, aus den Versuchsergebnissen ein Produktionsverfahren zu entwickeln."

2009 kam die Wende: Yu Haijun schlug ein "Reverse Product Positioning Design" (RPPD), also eine umgekehrte Positionierung, und gezielte Recyclingtechnologien ("Directed Recycling Technologies", DRT) vor. Anstelle der destruktiven chemischen Verfahren sollten ausgewählte, wichtige Materialien bewahrt und gezielt zurückgewonnen werden. Das erwies sich als disruptiver Ansatz, der sehr effizient und kostengünstig funktionierte. 2012 hatte das Team die erste Generation von DRT für ternäre Batteriekathoden entwickelt.

2015 trat Brunp in das Netzwerk von Contemporary Amperex Technology Co., Limited (CATL) ein und brachte den DRT-Ansatz entlang der Lieferkette von CATL ein. Nach der Analyse Tausender Proben konnten 2019 seit Langem bestehende Probleme mit wiedergewonnenen NCM-Materialien gelöst werden – und die– zweite Generation von DRT wurde entwickelt. Dadurch werden hoch leistungsfähige, sicherere Materialien mit einem kleineren CO2-Fußabdruck erzeugt. "Durch unsere außerordentlich guten Rückgewinnungsraten, die hohe Leistungsfähigkeit unserer Materialien und die ungewöhnlich niedrigen Arbeitskosten verringern wir unsere Abhängigkeit von Millionen Tonnen neu abgebauter Nickel-, Kobalt- und Lithiumerze und erbringen so einen wichtigen Beitrag zur Nachhaltigkeit", erklärt Yu Haijun. 

Über die Erfinder

Dr. Yu Haijun ist Research Fellow, Direktor des national-lokalen gemeinsamen Ingenieurforschungszentrums für Batterierecycling für Fahrzeuge mit alternativem Antrieb, Direktor des Labors für Batterierecycling der Provinz Guangdong und Entwickler des RPPD-Konzepts. Er war an 153 nationalen Standards und Regeln der Technik in China beteiligt und hat 43 Auszeichnungen für seine Forschung erhalten. Xie Yinghao ist Direktor bei Brunp und ein hervorragender Forscher; er hat 75 wissenschaftliche Arbeiten verfasst und an 110 nationalen Standards und Regeln der Technik in China mitgewirkt.