Dr. Gina Kuippers forscht an einem biobasierten Recyclingprozess, mit dem sich Metalle CO2-neutral aus Lithiumionen-Batterien zurückgewinnen lassen
Dr. Gina Kuippers forscht an einem biobasierten Recyclingprozess, mit dem sich Metalle CO2-neutral aus Lithiumionen-Batterien zurückgewinnen lassen
Foto: BRAIN Biotech AG

Batterierecycling Wie Mikroorganismen Lithiumionen-Batterien nachhaltig recyceln können

2021 wurden in Deutschland mehr E-Autos neu zugelassen als je zuvor: rund 356.000. Mittlerweile führt kein Weg mehr an Elektromobilität vorbei – und damit auch nicht an den bisher leistungsfähigsten Energiespeichern: Lithiumionen-Batterien. Doch Lithium wie auch enthaltenes Kobalt und Graphit sind endlich, der Abbau problematisch. Deshalb kommt dem Recycling eine hohe Relevanz zu. Ohnehin schreibt die Europäische Batteriedirektive (2006/66/EG) für Industriebatterien ein Recycling von mindestens 50 % vor. Eine zukunftsweisende Aufbereitungsmethode ist eine biobasierte Lösung mit Mikroorganismen, die uns die Expertin Dr. Gina Kuippers von BRAIN Biotech im Interview erläutert.

Sehr geehrte Frau Dr. Kuippers, ist eine Lithiumionen-Batterie für Sie gefährlicher Abfall?

Ganz klar: Ja. Alte und vor allem kaputte Lithiumionen-Batterien (LIBs) können eine Gefahr sein, wenn sie nicht fachgerecht entsorgt werden und in die Umwelt gelangen. Gleichzeitig stellen sie aber auch eine sehr wertvolle Ressource dar, deren Bestandteile durch fachgerechtes Recycling fast vollständig wieder zurück in unseren Kreislauf gebracht werden können.

Wie entstand die Idee für das BRAIN Biotech-Recyclingverfahren?

Bei BRAIN forschen wir schon lange im Bereich Green & Urban Mining und arbeiten in vielfältigen Bereichen an nachhaltigeren Konzepten, um Wertstoffe aus dem urbanen Umfeld in den Stoffkreislauf zurückzuführen. Neben dem Metallrecycling beschäftigen wir uns damit, biologische Abfälle als neue Produkte nutzbar zu machen – dem sogenannten „Upcycling“. Da haben wir uns natürlich auch das Recycling von LIBs angesehen. Die bestehenden Ansätze erschienen uns wenig kreativ und teilweise nicht geeignet für LIBs, daher sind wir selbst aktiv geworden, um nach grüneren Alternativen zu suchen.

Dr. Gina Kuippers

  • Dr. Gina Kuippers ist Projektleiterin und Managerin für technisches Business Development bei der BRAIN Biotech AG.
  • Ihr Fokus liegt in der Erforschung und Vermarktung von Themen im Bereich des „Green and Urban Minings“. Dabei stehen das Entwickeln nachhaltigerer Ansätze und Prozesse im Mittelpunkt, um Abfälle möglichst CO2-sparend zu recyceln und daraus neue biobasierte Produkte mit Mehrwert zu generieren. Momentaner Schwerpunkt Ihrer Arbeit ist die Erforschung eines biobasierten Recyclingverfahrens, mit dem Metalle CO2-neutral aus Lithiumionen-Batterien rückgewonnen werden.
  • Gina Kuippers hat einen interdisziplinären Hintergrund aus Mikrobiologie, Chemie und Geowissenschaften mit Abschlüssen der RWTH Aachen (B.Sc.), der Universität Bremen (M.Sc.) und der Universität Manchester (UK, Ph.D.).

Welche Arten von Recycling von LIBs werden gegenwertig in der Branche praktiziert?

Gegenwärtig gibt es zwei standardisierte Recyclingrouten, bei denen entweder ein pyrometallurgischer Schmelzprozess mit Temperaturen von >1000°C zum Einsatz kommt, gefolgt von einem hydrometallurgischen Verfahrensteil, in dem die Metalle chemisch sortenrein getrennt werden. Im zweiten Ansatz werden die LIBs erst einmal manuell zerlegt und dann im Schredder zerkleinert, getrocknet und vorsortiert, bis eine sogenannte Black-Mass entsteht, ein Konzentrat der Wertmetalle der Kathodenfraktion. Diese Black-Mass wird dann einer hydrometallurgischen Behandlung unterzogen, in deren Verlauf die Metalle einzeln aufgereinigt werden. Eine dritte Variante, die des direkten Recyclings, könnte eine umweltfreundlichere und kostengünstigere Alternative darstellen; hier müssen jedoch noch viele Hürden überwunden werden.

Welche Kritikpunkte haben Sie an diesen Verfahren?

Die Pyrometallurgie hat erhebliche Nachteile: zum Beispiel die hohen Kosten beim Betreiben einer solchen Anlage, die aufgrund ihres immensen Investitionsbedarfs nur zentral an einigen wenigen Standorten betrieben werden kann; dadurch müssen die LIBs oft weit transportiert werden. Weiterhin gehen in diesem hochenergetischen Verfahren viele Bestandteile der Batterie, z. B. Plastik, Elektrolyt, Graphit, Aluminium und Lithium, dem Kreislauf verloren. Damit ist das Global Warming Potential (GWP) einer pyrometallurgisch recycelten Batterie sehr hoch – und die Ressourceneffizienz sehr niedrig. Hydrometallurgische Verfahren sind sehr effizient in der Wiedergewinnung der Metalle, doch der Einsatz fossilbasierter Chemikalien ist sehr hoch. Das hat erhebliche Umweltauswirkungen.

Wo liegen die klaren Vorteile einer biobasierten Methode?

Ein biobasiertes Verfahren kann die Metalle einer LIB genauso effizient laugen wie die klassische Hydrometallurgie. Ein klarer Vorteil ist die selektive Lösung der Metalle, wodurch diese bereits in der Laugung sortenrein getrennt werden – angefangen beim Lithium, gefolgt von Nickel, Mangan und Kobalt. Dadurch kann ein aufwändiges und kostspieliges Trennverfahren gespart werden. Hinzu kommt, dass ein biobasiertes Verfahren auf erneuerbaren Ressourcen beruht und daher einen minimalen Carbon-Footprint hat. Außerdem erlangt der Verzicht auf fossile Chemikalien in Krisenzeiten, wie z. B. jetzt im Ukrainekonflikt, eine völlig neue Bedeutung.

Erklären Sie uns bitte den Prozess des mikrobiellen Recyclings.

Am Anfang unseres biobasierten Recyclings steht eine Fermentation, in deren Verlauf ein Mikroorganismus ein Bioextraktionsmittel herstellt. Als Kohlenstoffquelle und Futter für die Mikroorganismen können hier im besten Falle Abfallströme, wie z. B. landwirtschaftliche Reststoffströme oder sogar CO2 selbst, eingesetzt werden. Im Anschluss wird das Bioextraktionsmittel von den Mikroorganismen abgetrennt und in einem zweiten Tank mit der Black-Mass für die Abtrennung von Lithium gemischt. Das ist ein rein chemischer Vorgang, der schnell und effizient abläuft. Nachdem das Lithium ausgelaugt ist, erfolgt eine Fest-/Flüssigtrennung und die restliche Black-Mass wird ein zweites Mal gelaugt, um Nickel, Mangan und Kobalt von den restlichen Verunreinigungen abzutrennen.

Sie sprechen sich immer klar für ein Miteinander zwischen Forschung, Industrie und Recyclingunternehmen aus. Sind hier bereits Kooperationen mit Ihrem Haus geschlossen worden?

Nur durch das Miteinander mit unseren Kooperationspartnern sind wir in unserer Entwicklung des mikrobiellen Recyclings so weit gekommen. Gerade stehen wir mit einem großen Konsortium aus akademischen und industriellen Partnern in dem Forschungsprojekt FuLIBatteR in den Startlöchern. Wir erhoffen uns dadurch viele neue Erkenntnisse zu biobasierten Verfahren. Wir sind außerdem offen für Partnerschaften mit der Industrie, um die Technologie bis zur Marktreife weiterzuentwickeln.

In Ihren Publikationen sprechen Sie davon, dass die Mikroorganismen in viele bestehende Recyclingprozesse integriert werden können. Wie sieht das praktisch in der Zukunft aus?

Aus unserem großen Mikroorganismen-Archiv haben wir spezialisierte Kandidaten für unterschiedliche Anwendungen identifiziert und charakterisiert. Es gibt zum Beispiel Mikroorganismen, die ihre Umgebung so verändern, dass dadurch Metalle in Lösung gebracht werden; dadurch können z. B. Edelmetalle aus Elektroschrott gelöst werden – oder Metalle aus Batterien. Andere Mikroorganismen können sich selektiv an gelöste Metalle anhaften und so ihre Oberflächeneigenschaften verändern, sodass diese Metalle abgetrennt werden können. Vielleicht haben Sie im Verlauf meiner Erläuterungen bemerkt, dass sich die verschiedenen mikrobiellen Ansätze ergänzen und damit in einem mehrstufigen Verfahren kombinieren lassen.

Stichwort „Green Deal“:  Welche Zeichen aus Politik und Wirtschaft hinsichtlich Umweltschutz würden Sie sich noch wünschen?

Die Ansätze aus dem Green Deal sind richtig, aber es gibt zu viele Hintertüren für die Industrie, sich doch an CO2-intensiven Verfahren zu bedienen, die zwar günstig sind, jedoch negative Einflüsse auf die Umwelt haben. Hier muss nachgebessert werden, um die Auswirkungen auf die Umwelt stärker zu berücksichtigen.

Was verstehen Sie in Ihrer Arbeit persönlich unter dem Begriff „Nachhaltigkeit“?

Der Begriff Nachhaltigkeit ist sehr breit gefächert und er hat für mich auf mehreren Ebenen eine Bedeutung: Da ist zum einen der Anspruch unseres Unternehmens mit biobasierten Produkten und Lösungen zu mehr Nachhaltigkeit in der Industrie beizutragen – im Sinne z. B. von Ressourcenschonung, Energieeinsparung und einer CO2-Emissionsreduktion. Hier kann ich persönlich durch meine Arbeit als Wissenschaftlerin einen großen Beitrag leisten.

Nachhaltigkeit im Sinne von Umweltschutz spielt aber auch im Arbeitsalltag eine Rolle: Das fängt an mit der Art, wie ich ins Unternehmen fahre, und reicht über die Auswahl und Nutzung von Verbrauchsmaterialien im Labor bis hin zu der Art und Weise, wie ich größere Datenmengen versende. In solchen Bereichen kann wirklich jeder etwas tun.

Nachhaltigkeit spielt aber z.B. auch eine Rolle, wenn es darum geht Erfahrungen und Wissen im Unternehmen langfristig zugänglich zu halten, Stichwort „Wissensmanagement“. Bei BRAIN haben wir eine Kultur des Teilens kreativer Gedanken und neuer Ideen etabliert, denn so können wir unsere wissensbasierte Arbeit noch besser zum Erfolg bringen.

 

Vielen Dank für das Gespräch!

Quellen

Alle Angaben ohne Gewähr und Anspruch auf Vollständigkeit