Das Batterie-Recycling steht im Vordergrund

Jun 25, 2023

Da die Elektromobilität weltweit zunimmt, Ebenso steigt der Bedarf an Batterien für Elektrofahrzeuge (EV). Diese Nachfrage hat zu einem erheblichen Wachstum der Batterieproduktion geführt, wobei bis 2030 weltweit eine Gigafactory-Kapazität von über fünf Terawattstunden (TWh) pro Jahr erwartet wird. Mit über 100 ist auch ein beträchtliches Wachstum der Batteriemengen für Elektrofahrzeuge zu verzeichnen, wenn sie sich dem Ende ihrer Lebensdauer nähern Es wird erwartet, dass im nächsten Jahrzehnt Millionen Fahrzeugbatterien ausgemustert werden.1MCFM BI-Schätzung. Der Übergang von der auf fossilen Brennstoffen basierenden hin zur Elektromobilität ist eindeutig positiv für die Umwelt und für den Geldbeutel vieler Verbraucher, aber die Überarbeitung unseres Transportsystems erfordert die Gestaltung und Skalierung neuer Lieferketten. Mit dieser Herausforderung geht eine Chance einher – die Skalierung einer Lieferkette, die stabiler, widerstandsfähiger, effizienter und nachhaltiger ist als die der Fahrzeugindustrie mit fossilen Brennstoffen und Verbrennungsmotoren (ICE). Das Recycling von Batterien ist der Schlüssel zur Nutzung dieser Chance (siehe Seitenleiste „Das zweite Leben von Batterien: Eine zusätzliche Einnahmequelle“).

Dieser Artikel ist eine Gemeinschaftsarbeit von Andreas Breiter, Martin Linder, Thomas Schuldt, Giulia Siccardo und Nikola Vekić und vertritt Ansichten aus der Advanced Industries Practice von McKinsey.

In China, Europa und den Vereinigten Staaten, die alle einen großen Übergang zu Elektrofahrzeugen erleben, stammt der Großteil des Batteriematerials, das für das Recycling geeignet ist, noch immer aus Zellen der Unterhaltungselektronik, wie sie in Laptops und anderen Haushaltsgegenständen enthalten sind, sowie aus Abfällen, die bei der Zellherstellung anfallen fehlerhafte Batterien, die die Qualitätskontrolle nicht bestehen. Da bei der Inbetriebnahme einer neuen Batteriefabrik bis zu 30 Prozent der Ausschuss bei der Zellherstellung anfällt, entsteht eine bedeutende Volumenquelle für das Recycling in Märkten, in denen die Herstellung von Elektrofahrzeugbatterien auf Hochtouren läuft. In Märkten, in denen die Einführung von Elektrofahrzeugen schon seit einiger Zeit weit verbreitet ist, wie beispielsweise in China, stellen Altbatterien von Elektrofahrzeugen ein größeres Volumen dar. Weltweit wird Produktionsschrott jedoch wahrscheinlich bis 2030 die Hauptquelle für Batteriematerialien für das Recycling bleiben, bis die Menge an ausgedienten Elektrofahrzeugbatterien so stark angewachsen sein wird, dass sie überholt (Abbildung 1).

Im Gegensatz zu Batterien der Unterhaltungselektronik, die zu klein sind, um in Second-Life-Systeme integriert zu werden, und Abfällen aus der Zellproduktion, die nicht in Batterien verwendet werden können, können Altbatterien von Elektrofahrzeugen gewinnbringend wiederaufbereitet und für andere Anwendungen wieder verwendet werden. Dies kann für Batteriebesitzer eine zusätzliche Einnahmequelle schaffen, bevor diese Batterien recycelt werden. Am Ende ihrer Lebensdauer in Elektrofahrzeugen (in der Regel nach zehn bis 15 Jahren oder mehr als 200.000 Meilen) können Elektrofahrzeugbatterien rentable Second-Life-Anwendungen finden, beispielsweise als stationäre Notstromversorgung, für die weniger strenge Zyklenanforderungen gelten als Elektrofahrzeuge. Batterien, die für diese Second-Life-Anwendungen geeignet sind, nehmen auf dem Weg zum Recycling zwar diesen Umweg in Kauf, aber bei einem wertmaximierenden Ansatz sollten alle Batterien von Elektrofahrzeugen irgendwann ihren Weg in Recyclingprozesse finden.

Dies gilt insbesondere für Batterien, die Chemikalien verwenden, die auf hochwertigen Inputs basieren (z. B. Nickel-Mangan-Kobaltoxid-Kathoden), im Vergleich zu Chemikalien mit geringwertigen Inputs (z. B. Lithium-Eisen-Phosphat-Kathoden), obwohl es sich um Rohstoffe handelt -Ups, geopolitische Schocks und Regulierung haben das Potenzial, das Geschäftsmodell des Recyclings zu verändern, selbst bei nickel- und kobaltfreien Batterien.

In diesem Artikel untersuchen wir den Marktkontext, der zum Wachstum im Batterierecycling geführt hat, gängige Technologiepfade und Geschäftsmodelle sowie Erfolgsfaktoren in diesem Sektor. Während sich unsere Forschung stark auf das Batterierecycling konzentriert, stellen wir fest, dass das Verständnis des potenziellen Umfangs der Kreislaufwirtschaft für Batterien Aufschluss über einen Lieferkettenansatz gibt, der von anderen Branchen innerhalb und außerhalb der Energie- und Transportbranche übernommen werden könnte, um nachhaltiges Wachstum voranzutreiben.

Zahlreiche Hebel treiben das Wachstum der Batterierecyclingbranche voran:

Technologischen Fortschritt Da Prozesse skaliert und ausgereift werden, können höhere Rückgewinnungsraten erzielt, der Treibhausgas-Fußabdruck verringert und die Wirtschaftlichkeit verbessert werden. Darüber hinaus fördern Forschungs- und Innovationsprojektzuschüsse von Regierungen den Fortschritt der Recyclingtechnologie, wie zum Beispiel die European Battery Alliance der EU und die National Science Foundation Phase II Small Business Innovation Research Grants der Vereinigten Staaten.2 „European Battery Alliance“, Europäische Kommission, Oktober 2017; „Programme für kleine Unternehmen“, National Science Foundation.

Überlegungen zur Stabilität der Lieferkette werden von verschiedenen Automobil-OEMs und Zellherstellern priorisiert, die sich lokale (recycelte) Rohstoffmengen zu stabilen Preisen sichern möchten. Beispielsweise ist VW eine Partnerschaft mit Redwood Materials in den USA und GM mit Li-Cycle und Cirba Solutions eingegangen.3 „VW Group of America und Redwood Materials schaffen Lieferkette für das Recycling von Elektrofahrzeugbatterien“, so die US-Medienseite der VW AG , 12. Juli 2022; „Cirba Solutions und General Motors erweitern ihre Zusammenarbeit beim Recycling von Elektrofahrzeugbatterien, um eine nachhaltige Batterielieferkette zu unterstützen“, GlobalNewswire, 2. November 2022.

Dekarbonisierung und ethische Lieferkettenzielevon Automobil-OEMs festgelegt führen dazu, dass recycelte Batteriematerialien gegenüber neu gewonnenen Batteriematerialien bevorzugt werden, da erstere durch etwa viermal geringere Kohlenstoffemissionen gekennzeichnet sind, was zu einem um mehr als 25 Prozent geringeren CO2-Ausstoß pro Kilowattstunde (kWh) Batteriezellkapazität führt produziert (Anlage 2). Darüber hinaus wird durch die Beschaffung bei Recyclern im Inland vermieden, dass eine Primärnachfrage nach Rohstoffen entsteht, die aus Konfliktregionen stammen oder durch Kinderarbeit gewonnen werden, oder beides. Unsere eigenen Untersuchungen deuten darauf hin, dass Recycler dadurch möglicherweise sogar Zugang zu „Prämien für grüne Rohstoffe“ erhalten.

Regulatorische Anreizeschaffen förderliche Bedingungen für lokales Recycling, wie zum Beispiel das US Inflation Reduction Act 2022, das es recycelten Batteriematerialien (z. B. Lithium, Kobalt und Nickel) ermöglicht, sich für erhebliche Steuergutschriften zu qualifizieren, die über die Klausel für inländische Materialien verfügbar sind, selbst wenn diese Materialien dies wären nicht ursprünglich in den Vereinigten Staaten oder in Ländern abgebaut, mit denen die Vereinigten Staaten Freihandelsabkommen haben.

Regulatorischer Druck ermutigt Organisationen weiterhin zum Recycling. Die EU hat beispielsweise ihre Altfahrzeugrichtlinie eingeführt, die Automobilhersteller dazu verpflichtet, Altbatterien von Fahrzeugbesitzern zurückzunehmen. Das „Fit for 55“-Paket der EU hat das Interesse der OEMs am Recycling weiter gefördert, indem es die Veröffentlichung des CO2-Fußabdrucks von Batterien vorschreibt und Sammel- und Recyclingziele festlegt, einschließlich Mindestanforderungen an den Recyclinganteil neu gebauter Batterien.4 „Der EU-Umweltrat verabschiedet neue Regeln für „Nachhaltigere Batterien“, Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, nukleare Sicherheit und Verbraucherschutz, Republik Deutschland, 17. März 2022. In den USA laufen Regulierungsinitiativen in Kalifornien (Lithium-ion Car Battery Recycling Advisory Group) und Texas (EV Battery Reuse and Recycling Advisory Group) haben kürzlich Empfehlungen abgegeben, von denen erwartet wird, dass sie regulatorische Maßnahmen weiter in Richtung Batterierecycling beeinflussen werden.5 „Lithium-ion Car Battery Recycling Group“, Californian Environmental Protection Agency, 2019; „EU Battery Reuse and Recycling Advisory Group“, Texas Commission of Environmental Quality.

Es gibt zwei Technologiepfade für das Batterierecycling, die am häufigsten genutzt werden, und weitere innovative Recyclingmethoden, die derzeit erforscht und entwickelt werden.

Sobald Altbatterien eingesammelt und in den Recyclinganlagen eingegangen sind, werden sie zunächst getestet, entladen und zerlegt (Anlage 3). Zu diesem Zeitpunkt durchlaufen zerlegte Batterien einen Prozess namens „Schreddern“. Dies besteht typischerweise aus einer thermischen Behandlung von Batterien vor oder nach dem Zerkleinern, um Verunreinigungen wie den organischen Anteil (z. B. Kunststoff) zu entfernen, die Trennung von aktivem Elektrodenmaterial und Stromkollektorfolie zu optimieren und die Phase von wertvollem Metall in eine reduzierte zu ändern Form für optimierte Effizienz in der hydrometallurgischen Verarbeitung. Nach verschiedenen Screening- und Sortierschritten, die physikalische Eigenschaften von Batteriekomponenten wie Größe, Form, Magnetismus, Dichte und Leitfähigkeit nutzen, liefert der Prozess mehrere Materialfraktionen, darunter „schwarze Masse“, ein Pulver, das wertvolle Materialien wie Nickel, Kobalt enthält. Lithium und Graphit. Alternativ kann eine mechanische Vorbehandlung ohne den Einsatz von Wärme durchgeführt werden, was in der Regel zu einer komplexeren Zusammensetzung der schwarzen Masse mit mehr Verunreinigungen führt.

Sobald die schwarze Masse erzeugt ist, wird typischerweise eine der beiden folgenden Verarbeitungsmethoden verwendet:

Hydrometallurgische Verarbeitung: Die gesiebte schwarze Masse wird aufwendig mit Säuren behandelt, wobei die Metalle gelöst werden. Durch eine Reihe sogenannter „Lösungsmittelextraktion“, „Kristallisation“ und „Fällung“ werden die verschiedenen Metallionen getrennt, die dann zur Herstellung batterietauglicher Materialien wie Nickelsulfat oder Lithiumcarbonat verwendet werden können. Thermisch behandelte schwarze Masse ist das bevorzugte Ausgangsmaterial für diesen Prozess, vor allem aufgrund des Fehlens organischer Stoffe (wie Lösungsmittel, Bindemittel). Die mechanische Vorbehandlung in Kombination mit der hydrometallurgischen Verarbeitung stellt einen komplexen, aber praktikablen Prozess dar, der mehr Reagenzien erfordert, um hohe Materialrückgewinnungsraten und Qualitätsprodukte in Batteriequalität zu erzielen.

Pyrometallurgische Verarbeitung: Beim pyrometallurgischen Recycling kann schwarze Masse als Ausgangsstoff verwendet werden, im Gegensatz zur hydrometallurgischen Verarbeitung ist dies jedoch nicht unbedingt erforderlich. Normalerweise werden Batterien direkt in einem Ofen geschmolzen, um Kobalt, Nickel und Kupfer in Form einer Legierung zu gewinnen, während andere Komponenten meist als Schlacke enden (wie Lithium, Aluminium und Silizium). Anschließend wird die hergestellte Legierung in einem vergleichsweise einfacheren hydrometallurgischen Raffinierungsverfahren weiterverarbeitet, um die Rohstoffe zu extrahieren und Batteriemetallsalze herzustellen, die für die Batterievorläuferproduktion bereit sind. Die pyrometallurgische Verarbeitung kann in der Regel als robuster Prozess mit sehr hohen Rückgewinnungsraten für Nickel, Kobalt und Kupfer betrieben werden, liefert jedoch im Vergleich zur mechanischen Vorbehandlung in Kombination mit hydrometallurgischer Verarbeitung geringere Gesamtmaterialausbeuten, da viele Materialien verbrannt werden oder in der Schlacke verloren gehen. Darüber hinaus erfordert der Prozess hochentwickelte Gasreinigungssysteme.

Weitere innovative Recyclingverfahren: Verschiedene Recyclingmethoden, wie das Direktrecycling oder das Hydro-zu-Kathoden-Aktivmaterial-Recycling, befinden sich derzeit in der Forschungs-, Entwicklungs- und Kommerzialisierungsphase. Diese neuen Recyclingwege zielen darauf ab, die Materialrückgewinnungsraten zu erhöhen, den Energie- und Reagenzienverbrauch zu senken sowie Emissionen und Abwasser zu verringern. Beispielsweise schlagen Forschungsprojekte in Europa und den Vereinigten Staaten die Schaumflotation vor, eine Metallkonzentrationsmethode, die typischerweise in der Bergbauindustrie eingesetzt wird, als wirksame Methode zur Rückgewinnung von Graphit, der derzeit verbrannt oder während oder nach dem Recyclingprozess auf Deponien verbracht wird. Die Rückgewinnung von Graphit, einer Komponente, die etwa 15 bis 25 Prozent des Gewichts einer Batterie ausmacht, könnte zu einer Anforderung im Rahmen der kürzlich vorgeschlagenen EU-Verordnung werden, die eine Materialrückgewinnung von 65 Prozent bzw. 70 Prozent bis 2025 bzw. 2030 vorschreibt.6 „Neuer EU-Rechtsrahmen.“ für Batterien“, Europäisches Parlament, März 2022.

In der gesamten Wertschöpfungskette des Batterierecyclings, von der Sammlung bis zur Metallrückgewinnung, wird erwartet, dass der Umsatz bis 2040 weltweit auf über 95 Milliarden US-Dollar pro Jahr steigen wird. Hauptsächlich getrieben durch den Preis der zurückgewonnenen Metalle, die erwartete Einführung der Batteriezellchemie, die Regionalisierung der Lieferketten usw. Der generierte Geldwert pro Tonne Batteriematerial könnte bereits im Jahr 2025 etwa 600 US-Dollar erreichen (Abbildung 4). Für die Zukunft gehen wir davon aus, dass das Wertschöpfungspotenzial auf ein ähnliches Niveau wie in der Primärmetallindustrie steigen wird, das je nach Preisentwicklung bei rund 30 Prozent liegt.7MineSpans von McKinsey.

Die Einnahmen aus dem Batterierecycling werden angetrieben durch der Verkauf von zurückgewonnenen Rohstoffen, der sich typischerweise aus dem Rohstoffpreis mal dem Massengehalt pro Batterie mal der Rückgewinnungsrate für jedes Metall in der Batterie zusammensetzt. Heutzutage bezahlen Automobilhersteller Entsorgungsunternehmen für die Rücknahme von Alt- oder Altbatterien, und das Eigentum an der Batterie wird vollständig übertragen. Künftig werden Batterierecycler wahrscheinlich auf ein Mautmodell umsteigen, bei dem der Recycler eine Gebühr für die Dienstleistung des Batterierecyclings erhebt, während der OEM die Kontrolle über die zurückgewonnenen Rohstoffe behält. Alternativ können Automobilhersteller ihre Batterieschrott- und Altbatterien an Recycler verkaufen, für die der Wert der Rohstoffe in diesen Batterien über den Recyclingkosten plus Marge liegt.

Zusätzlich zu den Kosten für die Beschaffung der zu recycelnden Batterien – des „Rohstoffs“ – gibt es weitere Kosten und damit verbundene Betriebsentscheidungen, die erhebliche Auswirkungen auf die Rentabilität eines Recyclers haben können:

Es muss eine komplette Rücklieferkette eingerichtet werden, um Batterien zu sammeln, zu testen und zu recyceln. Und Unternehmen verfolgen unterschiedliche Geschäftsmodelle, um dies zu ermöglichen.

Im Batterierecyclingbereich gibt es unterschiedliche Geschäftsmodelle. Diese reichen von Unternehmen, die einzelne Schritte der Wertschöpfungskette abdecken (z. B. Zerkleinerung), bis hin zu integrierten Unternehmen, die alle Schritte der Wertschöpfungskette von der Rückwärtslogistik für Altbatterien bis zur Veredelung des Batteriematerials abdecken. In den letzten Jahren gab es einen Trend zur Konsolidierung und Integration, da Automobilhersteller zunehmend an umfassenden Recyclingangeboten interessiert sind, anstatt verschiedene Akteure entlang der Wertschöpfungskette selbst zu verwalten. Integrierte Unternehmen können je nach Grad der organisatorischen Integration in drei Archetypen charakterisiert werden:

Obwohl der Markt für Batterierecycling schnell wächst, ist er noch weit von der Reife entfernt und die Marktführerschaft ist noch nicht gefestigt. Allein auf dem europäischen Markt gab es über 40 Ankündigungen zum Batterierecycling. Ein ähnliches Muster zeichnet sich in den Vereinigten Staaten ab. Selbst in China, wo der Recyclingmarkt aufgrund der größeren Verfügbarkeit von Altbatterien und Produktionsabfällen ausgereifter ist, kontrollieren Top-Player nur bis zu 15 Prozent des Marktes. Wir haben drei wichtige Hebel identifiziert, die Batterierecycler nutzen könnten, um einen Vorsprung auf dem Batterierecyclingmarkt zu behalten oder auszubauen.

Sorgen Sie für ausreichenden Zugang zu Rohstoffen : Batterierecycler müssen sich ein ausreichend großes Volumen sichern, um kurzfristig eine sinnvolle Größenordnung mit langfristigem Wachstumspotenzial zu generieren. Dies kann in Form von Verträgen mit Batteriezellenherstellern für Produktionsschrott erfolgen, aber auch in Form von Verträgen mit Automobil-OEMs für zukünftige Mengen an Altbatteriepaketen.

Bauen Sie Partnerschaften auf, die sich entlang der Recycling-Wertschöpfungskette erstrecken: Batterierecycler, die noch nicht vertikal integriert sind, könnten den Aufbau wertschöpfungskettenübergreifender Ökosysteme in Betracht ziehen, um den Automobilherstellern attraktivere End-to-End-Lösungen anbieten zu können.

Investieren Sie in technologische Leistung und bleiben Sie gleichzeitig über Trends im Batteriedesign auf dem Laufenden: OEMs treffen ihre Recyclingauswahl auf der Grundlage nachgewiesener Materialrückgewinnungsraten, Produktqualität und Prozesseffizienz. Daher werden Investitionen in die Technologiewege, die eine überlegene Leistung bieten können, von entscheidender Bedeutung sein. Allerdings sind EV-Batterien noch weit von der Standardisierung entfernt, daher sollten Technologieinvestitionen durch eine enge Zusammenarbeit mit den Forschungs- und Entwicklungsteams der OEMs kalibriert werden, mit denen der Recycler zusammenarbeitet oder eine Zusammenarbeit anstrebt. Der Austausch von Informationen über geplante Änderungen der Batteriechemie und des Packdesigns, die OEMs möglicherweise in Betracht ziehen, sowie über die Ressourcenintensität der verschiedenen Schritte des Recyclingprozesses könnte beispielsweise den Weg für technische und gestalterische Entscheidungen ebnen, die ihn einfacher oder sogar einfacher machen rentabler, wenn Batterien recycelt werden. „Design für Nachhaltigkeit“ erfordert Anstrengungen zur Koordinierung entlang der gesamten Wertschöpfungskette und zur Entwicklung eines verfeinerten Verständnisses von Prozessen außerhalb des direkten Einflussbereichs des Recyclers, kann jedoch Partnerschaften und Lieferketten erheblich stärken.

Ohne Recycling dürften Batteriematerialien ein kritischer Engpass für die Elektrifizierung bleiben. Daher haben das Wachstum und die Rentabilität des Recyclingsektors für Elektrofahrzeugbatterien das Potenzial, das Tempo des entscheidenden Übergangs von einer Welt mit Verbrennungsmotoren zu einer Welt mit Elektroantrieb zu beschleunigen oder zu bremsen.

Glücklicherweise ist die potenzielle Wertschöpfung für das Recycling von Elektrofahrzeugbatterien mit 95 Milliarden US-Dollar pro Jahr bis 2040 enorm und erregt die Aufmerksamkeit von Automobil-OEMs, Batterie-OEMs und Investoren. Wir gehen zwar davon aus, dass sich in diesem Bereich weiterhin viel bewegen wird, aber die Entwicklung groß angelegter Abnahmevereinbarungen, Partnerschaften und Investitionen zur Schließung von Lücken in der Wertschöpfungskette sowie die Zusammenarbeit mit Rohstofflieferanten zur Steigerung der Effizienz in Technologie und Design werden die Branchenführer von anderen abheben. Derzeit ist klar, dass der Weg zur Skalierung der Lieferkette für Elektrofahrzeuge für den Automobilsektor möglicherweise kein geradliniger, sondern ein zirkulärer Weg ist.

Andreas Breiterist Partner im McKinsey-Büro in der Bay Area, woThomas Schuldtist Berater;Martin Linderist Senior Partner im Münchner Büro;Giulia Siccardo ist Partner im New Yorker Büro; UndNikola Vekicist Berater im Brüsseler Büro.

Die Autoren danken Isabella Avelar, Deston Barger, Johan Bracht, Luca Buscaglione, Nicolo Campagnol, Erik Dellborg, Jonas DeMuri-Siliunas, Jacob Fleischmann, Scott Glover, Nicolas Goffaux, Xenia Greenhalgh, Yunjing Kinzel, Friederike Liebach, Connor Mangan, Alexandre van de Rijt, Patrick Schaufuss und Monica Wang für ihre Beiträge zu diesem Artikel.