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Lithium, Kobalt, Nickel, Kupfer, Aluminium: eine einzelne Lithium-Batterie enthält eine Handvoll begehrter Materialien. Die Nachfrage steigt, weil Elektroautos, E-Bikes und Heimspeicher immer mehr dieser Batterien benötigen. Gleichzeitig landen laut Umweltbundesamt weniger als die Hälfte aller ausgedienten Lithium-Batterien im Recyclingkreislauf. Der Rest geht verloren.

Ein Hauptgrund sind fehlende Verfahren, die wirtschaftlich und sicher arbeiten. Vor allem kleine Gerätebatterien aus E-Zigaretten, Smartphones oder Laptops enthalten so geringe Mengen wertvoller Metalle, dass sich der Aufwand mit herkömmlichen Methoden schlicht nicht lohnt.

Bisher werden Lithium-Batterien vor dem Recycling meist mechanisch zerkleinert, um die sogenannte Schwarze Masse freizusetzen, ein dunkles Pulver, in dem die wertvollen Metalle konzentriert sind. Das Problem dabei: Lithium-Batterien können sich entzünden, wenn Anode und Kathode beim Zerkleinern kurzgeschlossen werden. Um das zu verhindern, müssen die Batterien zunächst vollständig entladen sein. Viele gebrauchte Gerätebatterien lassen sich aber nicht mehr kontrolliert entladen. "Die spontane und unkontrollierte Freisetzung von Energie, auch bekannt als thermisches Durchgehen, stellt eine der größten Herausforderungen dar", erklärt Projektleiter Prof. Dr. Fabian Herz von der Hochschule Anhalt.

Dazu kommt: Vor dem Schreddern müssen Gehäuse geöffnet, Plastikteile entfernt und Aluminiumhüllen abgetrennt werden. Diese Demontage ist aufwendig, schwer zu automatisieren und für viele Kleinbatterien unwirtschaftlich.

Das Forschungsteam der Hochschule Anhalt geht einen anderen Weg. Die Batterien werden in einem Drehrohrofen erhitzt, ohne vorherige Demontage, so wie sie sind.

Das Verfahren läuft in zwei Schritten ab. Zunächst steigt die Temperatur schrittweise, bis das flüssige Elektrolyt, ein chemischer Energieträger im Inneren der Batterie, verdampft. Es lässt sich anschließend aus dem Gasstrom auskondensieren und separat auffangen. Im zweiten Schritt steigt die Temperatur weiter. Die Trennmembran zwischen Anode und Kathode wird beschädigt, eine kontrollierte Restentladung setzt ein, und die Schwarze Masse tritt aus der Hülse aus. Sie kann danach weiterverarbeitet werden.

"Das Ziel ist, dass einzelne Batterien bis hin zu ganzen Batteriestacks so im Drehrohr prozessiert werden, wie sie verbaut sind ", sagt Franz Hoffmann. Die aufwendige Vorsortierung entfällt damit weitgehend.

Ein Drehrohrofen ist ein zylindrischer Reaktor, der sich langsam um seine eigene Achse dreht. Das Material wandert darin kontinuierlich von einer Seite zur anderen, wird erhitzt, bewegt, behandelt. Das geschlossene System verhindert, dass Gase oder Partikel unkontrolliert austreten.

Am Campus Köthen stehen Drehrohröfen verschiedener Größen, darunter Reaktoren bis zu sechs Metern Länge und einem Meter Durchmesser, die Temperaturen von bis zu 1.600 Grad Celsius erreichen. Für das Batterieprojekt reichen Temperaturen bis 400 Grad aus.

Aktuell läuft die Forschung in zwei parallelen Strängen. Im ersten untersucht das Team das thermische Verhalten einzelner Batterien. Bei der sogenannten Thermogravimetrischen Analyse, kurz TGA, wird eine einzelne Batterie in einen Rohrofen eingehängt und schrittweise erhitzt. Eine Waage misst kontinuierlich den Masseverlust, Sensoren erfassen Temperatur und Abgaszusammensetzung. So lässt sich Schritt für Schritt verfolgen, bei welcher Temperatur was genau passiert.

Im zweiten Strang analysiert das Team das Bewegungsverhalten der Batterien. In einer transparenten Drehtrommel, einem halben Meter Durchmesser und 15 Zentimetern Tiefe mit Glasscheibe vorne, wird gefilmt, wie sich verschiedene Batterietypen im rotierenden Behälter bewegen. Drehzahl und Füllgrad werden variiert. Die Ergebnisse fließen in Simulationsmodelle ein, mit denen sich später eine Anlage präzise auslegen lässt. "Die Verweilzeit ist dafür wichtig, damit wir sagen können, dass jede Batterie wirklich thermisch behandelt worden ist, aber eben nicht länger als nötig. Das wäre Energieverschwendung", erklärt Franz Hoffmann.

Die bisherigen Messungen sind ermutigend: Lithium lässt sich in den Laborversuchen mit einer Quote von bis zu 94 Prozent zurückgewinnen. Das sind Laborwerte aus Einzelmessungen, noch keine Ergebnisse aus dem laufenden Drehrohrbetrieb. Der nächste Schritt ist die Übertragung auf den Technikumsmaßstab.

Eine weitere offene Frage betrifft das Ausgangsmaterial. Im Recycling kommt an, was ankommt: E-Zigaretten, Powerbanks, Smartphone-Akkus, Knopfzellen, alles gemischt. Zusammensetzung, Form und Gewicht variieren stark und beeinflussen den Prozess. "Wir müssen erstmal analysieren, was wir wirklich als Ausgangsmasse haben", sagt Franz Hoffmann.

Das Projekt läuft drei Jahre und wird von der Europäischen Union und dem Land Sachsen-Anhalt finanziert, Projektstart war Februar 2024. Anschließend ist die Weiterentwicklung mit Industriepartnern geplant. Auf der Messe Battery Recycling am 17. Und 18. Juni in Frankfurt am Main stellt das Team aktuelle Ergebnisse vor und sucht gezielt nach Recyclingunternehmen oder Herstellern mit konkretem Bedarf an einer solchen Anlage.

Den regulatorischen Rückenwind liefert die EU-Batterieverordnung, die deutlich höhere Recyclingquoten vorschreibt. Thermische Verfahren könnten dabei eine Rolle spielen, perspektivisch auch für Altreifen, Klärschlamm oder andere Abfallströme. Dass Drehrohröfen dabei selbst Energie verbrauchen, hat das Team im Blick. "Diese Bilanz solcher Thermoprozesse zu verbessern, ist Inhalt anderer Projekte unserer Arbeitsgruppe", sagt Prof. Dr. Fabian Herz.

Das Projekt "Thermisches Recycling von Lithiumbatterien" wird durch die Europäische Union und das Land Sachsen-Anhalt gefördert. Die genannten Rückgewinnungsquoten stammen aus Laborversuchen; eine großtechnische Anwendung ist noch nicht realisiert.

Mehr zu diesen Forschungsprojekten, den Leistungen und Laboren der Thermoprozesstechnik an der Hochschule Anhalt sind auf dieser Website zu finden. Prof. Dr. Fabian Herz kann direkt kontaktiert werden per E-Mail: fabian.herz@hs-anhalt.de und Tel.: +49 (0) 3496 67 2583.