Die Zukunft des Batterierecyclings: Patentanalyse der hydrometallurgischen Technologie für Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) sind seit ihrer Kommerzialisierung durch Sony in den 1990er Jahren zu einer zentralen Technologie in der Energiespeicherung geworden.

Eine Lithium-Ionen-Zelle besteht aus sechs Hauptkomponenten, die beim Recyclingprozess alle zurückgewonnen werden müssen (siehe Abbildung 1). Anode und Kathode sind elektrochemisch aktive Materialien, während der Separator die beiden Elektroden elektrisch isoliert.

Batteriespezialisten haben Technologiegenerationen definiert, die sich seit Sonys erster LCO-Batterie im Jahr 1991 kontinuierlich ablösten:

• Generation I (vor 2010) : LCO-Kathoden – Graphitanode.
• Generation II (2010–2020) : NCA/NMC 111-Kathoden – Graphitanode.
• Generation III (2020-) : Kathoden mit niedrigem Kobaltgehalt (NMC622-NMC811) – mit Silizium angereicherte Anoden.
• Generation IV (2030?) : Vollständig feste Lithium-Metall-Batterien – kobaltfreie Oxide.

Das Recycling von Altbatterien zielt nicht nur auf eine geringere Umweltbelastung ab, sondern zielt auch auf die Rückgewinnung wertvoller Bestandteile aus dem Elektroschrott ab.

Schätzungen zufolge könnten bis 2040 51 % des Kobalts, 42 % des Nickels und 23 % des Mangans, die in der Europäischen Union bei der Batterieproduktion verwendet werden, durch Recycling gewonnen werden. Allerdings dürften nur 9 % des Lithiums aus Sekundärquellen stammen.

Als Reaktion auf die zunehmende Produktion von LIBs und die Herausforderungen im Zusammenhang mit der Entsorgung von Altbatterien wurden verschiedene Recyclingtechnologien entwickelt.

Die drei wichtigsten Ansätze sind Pyrometallurgie, Hydrometallurgie und direktes Recycling:

Bei der hydrometallurgischen Technologie werden beim Recycling von LIBs saure Lösungen verwendet, um wertvolle Metalle wie Lithium, Kobalt und Nickel zu extrahieren. Bei diesem Verfahren werden Altbatterien gemahlen und die Metalle mit Säuren (z. B. H₂SO₄ oder HCl) und Reduktionsmitteln aufgelöst. Dies ermöglicht eine hochreine Rückgewinnung und eine bessere Selektivität im Vergleich zu thermischen Methoden.

In puncto Innovation konzentrieren sich die Bemühungen auf die Entwicklung von „Hydro 4.0“, einem Konzept, das darauf abzielt, Prozesse durch die Integration fortschrittlicher Technologien wie Datenanalyse und maschinelles Lernen umweltfreundlicher und automatisierter zu gestalten.

• Innovationen

Unternehmen und Forschungseinrichtungen investieren in patentierte hydrometallurgische Recyclingtechnologien, mit denen sich Batteriechemikalien verschiedener Art (LFP, NMC, LCO usw.) verarbeiten lassen und die somit für Prozessflexibilität sorgen.

• 1. Integration der Elektrodialyse : Forscher der Universität Malaga haben vorgeschlagen, die Elektrodialyse in hydrometallurgischen Recyclingprozessen einzusetzen. Dieser Ansatz zielt darauf ab, die Trennung und Rückgewinnung wertvoller Metalle aus Altbatterien zu verbessern. Er entspricht der Logik der Kreislaufwirtschaft, indem er die Ressourcenrückgewinnung optimiert und gleichzeitig die Umweltbelastung reduziert. Es bleiben jedoch Herausforderungen bestehen, insbesondere hinsichtlich des Energieverbrauchs und der Systemoptimierung.
• 2. Selektive Laugungstechnologien: Innovationen bei der selektiven Laugung zielen darauf ab, die Metallgewinnung zu maximieren und gleichzeitig den Einsatz von Reagenzien und die Abfallproduktion zu reduzieren. Diese Prozesse zielen mit hoher Effizienz auf kritische Metalle ab und zielen darauf ab, das Recycling sowohl wirtschaftlich rentabel als auch nachhaltig zu machen. Die Herausforderung besteht darin, durch Optimierung der verwendeten Chemie und der Reaktionsbedingungen wirtschaftliche Leistung mit reduzierter Umweltbelastung in Einklang zu bringen.
• 3. Hydrometallurgisches Recycling durch Auslaugen mit biologisch abbaubaren Säuren: Diese Innovation verwendet ein gemischtes Auslaugungssystem mit biologisch abbaubaren Säuren, darunter Ascorbinsäure und Zitronensäure, um Metalle aus Altbatterien zu extrahieren. Vorgeschlagen von Fatima et al. (2024) durch Verwendung ungiftiger und umweltfreundlicher Reagenzien.
  

Jede dieser drei Recyclingtechnologien spielt eine entscheidende Rolle bei der nachhaltigen Handhabung von Lithium-Ionen-Batterien. Die Pyrometallurgie ist für die Verarbeitung im großen Maßstab effektiv, hat jedoch einen hohen ökologischen Fußabdruck. Direktes Recycling könnte die Umweltbelastung weiter reduzieren, insbesondere wenn die Standardisierung der Batterien zunimmt. Zukünftige Hybridprozesse werden zusammen mit strengeren Vorschriften wahrscheinlich Innovationen vorantreiben und eine Kreislaufwirtschaft unterstützen, da die Nachfrage nach Batterien weiter steigt. Die Hydrometallurgie bietet einen ausgewogenen Ansatz mit besserer Effizienz und Nachhaltigkeit und ist damit die vielversprechendste Methode für EV-Batterien, erfordert jedoch ein sorgfältiges chemisches Abfallmanagement. Aus diesem Grund konzentriert sich die folgende Patentlandschaftsanalyse auf diese Technologie.

Die Analyse der Patentlandschaft bietet wertvolle Einblicke in Innovationen und hilft uns unter anderem dabei, die Zukunft der Technologie vorherzusagen. In diesem Teil teilen wir mit, was unsere Analyse der Patentlandschaft zu Innovationen im hydrometallurgischen Recycling von Lithium-Ionen-Batterien uns über die nächste Generation dieser Technologie sagen kann, einschließlich der wichtigsten Akteure der Branche und der wichtigsten Forschungs- und Entwicklungsmärkte (F&E) hinter dieser innovativen Lösung.

Um die Innovations- und F&E-Aktivitäten in dieser Technologie zu verstehen, haben wir mithilfe unserer proprietären IP-Intelligence-Software eine Makrosuche durchgeführt. Durch die Analyse der gesammelten Patente mithilfe unserer Expertise im IP -Beratung konnten wir einen faszinierenden globalen Einblick in den Forschungsfortschritt und die Investitionen in diesem Bereich gewinnen.

Insgesamt umfasst die Datenbank 2.958 Patentfamilien, die in den letzten 20 Jahren angemeldet wurden. Die Dynamik der Patentanmeldungen zeigt einen deutlichen Anstieg der Patentaktivität im Zusammenhang mit dem hydrometallurgischen Recycling von Lithium-Ionen-Batterien von 2004 bis 2024, wobei ab 2017 ein starker Anstieg zu verzeichnen ist.

In den Anfangsjahren gab es relativ wenige Patentanmeldungen, ab 2017 gab es jedoch einen deutlichen Anstieg. Im Jahr 2020 erreichte die Zahl der erteilten Patente mit 190 ihren Höhepunkt, was einer Steigerung von 144 % gegenüber den 78 erteilten Patenten im Jahr 2017 entspricht. Ebenso stieg die Zahl der angemeldeten Patente deutlich von nur 4 im Jahr 2017 auf 127 im Jahr 2021, was einem exponentiellen Wachstum entspricht (siehe unten).

Dieser Aufschwung ist auf die steigende Nachfrage nach Elektrofahrzeugen, Unterhaltungselektronik und Energiespeicherung zurückzuführen. Gleichzeitig wird der Schwerpunkt auf nachhaltiges Recycling gelegt, um Batterieabfälle zu bewältigen und Materialien wie vor allem Lithium, Kobalt und Nickel für die grüne Wende zurückzugewinnen.

Unsere Analyse der Patentlandschaft zeigt die Hauptakteure im Bereich des hydrometallurgischen Recyclings von Lithium-Ionen-Batterien.

• Sumitomo Metal Mining Co. Ltd. , ein führendes japanisches Bergbau- und Schmelzunternehmen, hält 79 erteilte und 21 angemeldete Patente, was ein robustes Portfolio an geistigem Eigentum in diesem Bereich widerspiegelt. Das Unternehmen hat bedeutende Fortschritte beim hydrometallurgischen Recycling von LIBs gemacht und sich dabei auf umweltfreundliche Prozesse zur effizienten Rückgewinnung wertvoller Metalle wie Lithium, Kobalt und Nickel konzentriert. Seine Innovationen wie verbesserte Methoden der Lösungsmittelextraktion zielen darauf ab, die Wirksamkeit der Metallrückgewinnung zu verbessern und gleichzeitig die Umweltbelastung zu minimieren und einen nachhaltigen Ansatz für das Batterierecycling zu fördern.
• Hunan Brunp Recycling Technology und Guangdong Brunp Recycling Technology, beide Tochtergesellschaften des führenden chinesischen Batterieherstellers CATL (Contemporary Amperex Technology Co., Ltd.), sind auf das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien spezialisiert. Hunan Brunp konzentriert sich auf die Demontage und hydrometallurgische Verarbeitung von Altbatterien, während sich Guangdong Brunp auf die Rückgewinnung wichtiger Metalle konzentriert. Mit 45 bzw. 44 erteilten Patenten sowie 47 angemeldeten Patenten entwickeln diese Unternehmen Recyclingtechnologien weiter und unterstreichen Chinas Engagement für eine Führungsrolle in der Kreislaufwirtschaft für Lithium-Ionen-Batterien. Die geringe Anzahl abgelaufener Patente lässt darauf schließen, dass ihre Innovationen weiterhin von großer Bedeutung sind und an der Spitze des sich rasch entwickelnden Batterierecyclingsektors stehen.
• Die Central South University und das Institute of Process Engineering der Chinese Academy of Sciences sind führende akademische Institutionen, die mit 35 erteilten und 31 angemeldeten Patenten für die Central South University sowie 25 erteilten Patenten für das Institute of Process Engineering einen bedeutenden Beitrag leisten. Ihr Beitrag unterstreicht die Bedeutung von Forschungseinrichtungen bei der Entwicklung nachhaltiger Recyclingtechnologien, insbesondere in China.
• BASF ist eines der größten Chemieunternehmen der Welt und mit 27 angemeldeten und 7 erteilten Patenten ein bedeutender europäischer Akteur. In Zusammenarbeit mit Branchenführern wie der Iveco Group und Stena Recycling entwickelt BASF Recyclingprozesse für Batterien von Elektrofahrzeugen weiter und legt dabei Wert auf Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit. Im Rahmen der nordamerikanischen Partnerschaft mit Nanotech Energy liegt der Schwerpunkt auf der Reduzierung der CO₂-Emissionen durch die Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien unter Verwendung recycelter Materialien. Durch laufende Kooperationen mit akademischen Institutionen treibt BASF weiterhin Innovationen bei Batteriematerialien voran und unterstreicht sein Engagement für nachhaltige Lösungen zur Energiespeicherung.
• JX Nippon Mining & Metals (58 erteilte Patente, 4 angemeldete Patente und 11 abgelaufene Patente) und seine auf Recycling spezialisierte Tochtergesellschaft JX Metals Circular Solutions (27 erteilte Patente) demonstrieren Japans technologische Führungsrolle bei der fortschrittlichen Metallrückgewinnung und dem Recycling aus Lithium-Ionen-Batterien. Diese Innovationen, gestärkt durch eine Partnerschaft mit Mitsubishi Materials, das 10 erteilte Patente hält, bieten geschlossene Recycling-Kreislauflösungen für Elektro- und Autoschrott mit dem Ziel, eine stabile Versorgung mit recycelten Materialien sicherzustellen und gleichzeitig Japans Engagement für eine Kreislaufwirtschaft und globale Dekarbonisierungsziele in der Batterie- und Elektronikindustrie zu unterstützen.
• Das Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives (CEA) verfügt über ein moderates Portfolio von 14 erteilten und 4 angemeldeten Patenten. Dieser Schwerpunkt steht im Einklang mit seiner Mission als französische öffentliche Forschungsorganisation, nachhaltige Technologien voranzutreiben und zu den Zielen der französischen Kreislaufwirtschaft beizutragen. Bei Lithium-Ionen-Batterien legt das CEA Wert auf die Behandlung und das Recycling von Lithium, Kobalt, Mangan und Nickel.

Die vorrangige Länderanmeldung erfolgt am häufigsten in dem Land, in dem die Forschung und Entwicklung (F&E) stattfindet. Ein Blick auf diese Daten zeigt uns also, welche Länder am innovativsten sind und welche ihre Erfindungen schützen wollen.

Die geografische Verteilung der Patente im Bereich der hydrometallurgischen Technologie zum Recycling von Lithium-Ionen-Batterien zeigt, dass sich die meisten Aktivitäten auf China konzentrieren.

• China (CN) verzeichnet seit Jahren einen deutlichen Anstieg der Patentanmeldungen, insbesondere ab 2016. Im Jahr 2023 wird bereits ein Höchststand von 473 Patentfamilien erreicht, obwohl das Jahr noch nicht abgeschlossen sein wird. Dieser Trend unterstreicht Chinas starken Fokus auf das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien, der durch die umfangreiche Produktion und den Verbrauch von Batterien vorangetrieben wird. Diese Spitzenposition bei den Patentanmeldungen spiegelt Chinas Dominanz in der globalen Batterieversorgungskette und seinen wachsenden Fokus auf Recyclingtechnologien wider.
  
• Japan (JP) verzeichnet einen stetigen Anstieg der Patentanmeldungen, der zwischen 2018 und 2021 seinen Höhepunkt erreichte. Dieser Trend spiegelt Japans Fokus auf die Sicherung von Ressourcen wie Lithium und Kobalt durch Recycling angesichts der begrenzten inländischen Vorräte wider. Japans Engagement für Innovationen im Bereich Recyclingtechnologien steht im Einklang mit seinen strategischen Zielen der Ressourcensicherheit und ökologischen Nachhaltigkeit.
  
• Die Patentanmeldungen bei der Weltorganisation (WO) nehmen allmählich zu und erreichen ihren Höhepunkt etwa zwischen 2020 und 2023. Dieser Trend deutet auf ein wachsendes internationales Interesse und aktive Innovation auf diesem Gebiet hin.
  
• Die Vereinigten Staaten (USA), Südkorea (KR) und Europa (EP) weisen ein moderates, aber stetiges Wachstum bei den Patentanmeldungen auf, was ihre Rolle in der globalen Batterierecyclingbranche unterstreicht. Die USA und Südkorea weisen konstante Anmeldungen auf, die ihren Höhepunkt um 2020-2022 erreichen. Die Heatmap zeigt einen Aufwärtstrend bei den Anmeldungen seit 2010, mit schnellem Wachstum von 2018-2022, getrieben durch die steigende Nachfrage nach LIB in Elektrofahrzeugen, Elektronik und erneuerbarer Energie sowie den Bedarf an nachhaltigen Entsorgungslösungen.

• China hat mit über 1.800 Patentfamilien, von denen 712 erteilt und 730 angemeldet sind, einen deutlichen Vorsprung, was die Dominanz und das Engagement des Landes auf diesem Gebiet unterstreicht.
  
  Dies steht im Einklang mit Chinas Streben nach Nachhaltigkeit, was sich in der Produktion von 9,3 Millionen Elektrofahrzeugen im Jahr 2023 (65 % der weltweiten Produktion) und dem Verkauf von 8,4 Millionen Einheiten widerspiegelt, was 59 % des weltweiten Absatzes entspricht, wobei etwa 90 % dieser Verkäufe im Jahr 2023 im Inland erfolgen ( Quelle ). Das Ausmaß der Produktion und des Verbrauchs von Elektrofahrzeugen macht China zu einem Hauptmarkt für das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien und treibt die Weiterentwicklung umweltfreundlicher und effizienter Methoden zur Metallrückgewinnung voran.
  
• Japan weist mit 240 erteilten Patenten und 92 anhängigen Patentanmeldungen eine starke Aktivität auf. Japans Engagement für Innovationen im Bereich des LIB-Recyclings ist offensichtlich und deutet auf eine robuste Pipeline von Fortschritten im Bereich des nachhaltigen Batteriemanagements hin.
  
• Die Vereinigten Staaten (USA) zeigen einen proaktiven Ansatz: Mit 59 erteilten und 117 angemeldeten Patenten konzentrieren sich die US-Bemühungen auf die Verfeinerung von Recyclingprozessen, die Erforschung neuartiger Methoden wie stark eutektischer Lösungsmittel zur Metallextraktion und die Entwicklung skalierbarer Lösungen zur Bewältigung des wachsenden Batterieabfalls. Eine solche Innovation ist das patentgeschützte AquaRefining™-Verfahren von Aqua Metals, das zunächst für das Bleirecycling eingesetzt und nun auf die Verarbeitung von Lithium-Ionen-Batterien ausgeweitet wird. Dieses Verfahren, bei dem Wasser bei Raumtemperatur verwendet wird, verringert die Schadstoffemissionen und ermöglicht eine effiziente Rückgewinnung von Metallen. Trotz ihrer Umweltvorteile bleibt die großflächige Kommerzialisierung dieser patentgeschützten Technologie eine Herausforderung.
  
• Südkorea (KR) weist eine beträchtliche Patentaktivität auf, mit 124 erteilten und 57 angemeldeten Patenten, was einen strategischen Fokus auf Ressourcenrückgewinnung und grüne Technologie widerspiegelt. Staatlich geförderte F&E sowie Kooperationen zwischen Wissenschaft und Industrie zielen darauf ab, die Recyclingeffizienz zu verbessern und die Abhängigkeit von importierten Rohstoffen zu verringern.
  
• Europa (EP) verzeichnet mit 14 erteilten und 56 angemeldeten Patenten einen deutlichen Anstieg der Patentaktivität für hydrometallurgische Technologien zum Batterierecycling. Dieser Trend steht im Einklang mit der EU-Politik zur Förderung nachhaltiger Technologien und zur Reduzierung von Elektroschrott, wodurch das hydrometallurgische Recycling aus ökologischen und wirtschaftlichen Gründen in ganz Europa eine Priorität darstellt.
  
• Andere Länder , wie etwa Indien, weisen eine geringere Zahl an Patenten auf, was wahrscheinlich auf ein neues oder eher Nischeninteresse in diesem Bereich schließen lässt.

Die hydrometallurgische Technologie für das Batterierecycling bietet einen vielversprechenden Weg in die nachhaltige Bewirtschaftung von Lithium-Ionen-Batterien. Durch den Einsatz chemischer Prozesse zur Rückgewinnung wertvoller Metalle wie Lithium, Kobalt und Nickel kann dieser Ansatz hochreine Materialien effizient zurückgewinnen, was entscheidend ist, um die wachsende Nachfrage nach Elektrofahrzeugen, Unterhaltungselektronik und erneuerbaren Energiespeichersystemen zu decken.

Der Anstieg der Patentaktivität im Zusammenhang mit hydrometallurgischem Recycling unterstreicht den zunehmenden globalen Fokus auf die Entwicklung innovativer und kosteneffizienter Lösungen. Länder wie China und Japan sind Vorreiter, angetrieben von ehrgeizigen Vorschriften und strategischen Zielen zur Sicherung wichtiger Rohstoffe durch Recycling. Wichtige Branchenakteure und Forschungseinrichtungen erforschen aktiv neue Techniken wie selektives Auslaugen und die Integration fortschrittlicher Technologien, um die Effizienz zu verbessern und die Umweltbelastung zu verringern.

Aktuelle Trends zeigen auch ein wachsendes Interesse an Kooperationen zwischen Industrie und Wissenschaft und unterstreichen die Bedeutung kontinuierlicher Innovationen zur Bewältigung der Probleme mit Batterieabfällen. Mit Fortschritten in der Automatisierung und umweltfreundlichen Prozessen sieht die Zukunft des Batterierecyclings rosig aus. Da die regulatorischen Rahmenbedingungen weltweit gestärkt werden und die Prinzipien der Kreislaufwirtschaft unterstützen, wird das hydrometallurgische Recycling wahrscheinlich eine entscheidende Rolle bei der Verringerung unserer Abhängigkeit vom Bergbau und der Schaffung einer nachhaltigeren Energielandschaft spielen.

Die Analyse der Patentlandschaft kann wertvolle Einblicke in Forschungs- und Innovationstrends und Märkte liefern, wie wir von dieser Analyse des hydrometallurgischen LIB-Recyclings hoffen. Für weitere Einzelheiten zur Patentaktivität in diesem Sektor oder für spezifische Beratung oder Unterstützung zu anderen Themen wenden Sie sich an das Questel IP -Beratung -Team .