07 Dez Rückgewinnen statt schreddern: Batterien effizienter recyceln
Recycling ist ein wichtiger Baustein im Produktionskreislauf von Lithium-Ionen-Batterien (LIB). Aktuelle Verfahren zerlegen die aktiven Batteriematerialien in ihre molekularen Bestandteile – unter hohem Energie- und Chemikalieneinsatz. In einem groß angelegten Verbundprojekt entwickeln daher Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und Partner aus der Industrie eine vollständige Prozesskette, um gebrauchte Batterien effizienter zu verwerten, in dem sie die aktiven Komponenten funktionserhaltend zurückgewinnen.
Ein geschlossener Kreislauf
Die Elektrifizierung der Mobilität ist ein wichtiger Beitrag, um Deutschlands Klimaschutzziele zu erreichen, und sie stellt dadurch einen Megatrend für die Autoindustrie in Deutschland dar. Dr. Marco Gleiß vom Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik koordiniert das Verbundprojekt ‚Agile Prozesskette zum direkten Recycling von Lithium-Ionen-Batterien und Regeneration der Aktivmaterialien’ (DiRecReg) auf Seiten des KIT. Gleiß erklärt: „Der damit verbundene hohe Bedarf an Lithium-Ionen-Batterien erfordert nachhaltige und geschlossene Materialkreisläufe – von den Batteriematerialien über den gesamten Lebenszyklus bis zum Recycling – sowie eine kreislauffähige Produktion von Batteriezellen.“ Außerdem, so Gleiß, könne man durch schließen der Wertschöpfungskette gleichzeitig die Rohstoffabhängigkeit Deutschlands und der Europäischen Union reduzieren.
Erhalten statt zerkleinern oder zersetzen
Aktuelle Verfahren zerkleinern die Batteriezellen und lösen die Aktivmaterialien bis auf die Molekülebene auf, um diese später in Form von Metallsalzen aus der Flüssigkeit zu gewinnen. Zwar können so bis zu 90 % der kritischen Elemente, etwa Kobalt, Nickel und Mangan, wiedergewonnen werden, jedoch ist der Bedarf an Energie- und Chemikalien sehr hoch. Aus den gewonnenen Materialien muss zudem unter großem Energieaufwand und Rohstoffeinsatz Batteriematerial komplett neu hergestellt werden. Neuere, vielversprechende Ansätze für Altbatterien und Produktionsausschüsse basieren auf dem direkten Recycling von Aktivmaterialien. „Dabei werden die Aktivmaterialien nicht mehr vollständig aufgelöst. Stattdessen werden sie in die einzelnen Zellbestandteile zerlegt und dann mechanisch getrennt, um sie möglichst rein zurückzugewinnen“, erklärt Gleiß.
Aktives Rückgewinnen noch in den Kinderschuhen
Bisher hat sich eine solche Prozesskette zum direkten Recycling in der Industrie jedoch nicht durchgesetzt. Das Materialverhalten des wiedergewonnenen Rezyklats lässt sich nicht vorhersagen. Außerdem gibt es keine Kriterien und Regeln, um die Einsatzfähigkeit des gealterten Materials zu beurteilen. Darüber hinaus fehlt es derzeit noch an praxisnahen, wirtschaftlichen Lösungen, um die verschiedenen Batteriepacks ohne großen Aufwand bis hin zu den einzelnen Bestandteilen zerlegen zu können. „Diese kritischen Punkte greift unser Verbundvorhaben auf und beschäftigt sich primär mit der Entwicklung einer agilen Prozesskette für das direkte Recycling von Lithium-Ionen-Batterien sowie der Regeneration der so wiedergewonnenen Aktivmaterialien“, so Projektkoordinator Dr. Thomas Dreyer von Weber Ultrasonics. Wichtig sei dabei auch, dass der Prozess variabel auf verschiedene Ausgangsmaterialien der Batterieproduktion wie auch für Produktionsausschüsse zugeschnitten ist und unterschiedliche Batterieformate und Bauarten verarbeiten kann. „Ziel ist es zudem, die energieintensiven Prozessschritte der zurzeit eingesetzten Recycling-Verfahren zu ersetzen und nachhaltig recycelte, hochwertige Sekundärmaterialien im Sinne einer Kreislaufwirtschaft zu liefern“, so Gleiß.
Verbundprojekt mit vier Forschungs- und sieben Industriepartnern
Das Projekt DiRecReg hat eine Laufzeit von drei Jahren und wird vom Bundesforschungsministerium mit 2,95 Millionen Euro gefördert. Das Projektkonsortium unter Federführung der Firma Weber Ultrasonics besteht aus zehn Partnern sowie einem assoziierten Partner. Es umfasst vier Institute des KIT: wbk Institut für Produktionstechnik, Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik, Institut für Angewandte Geowissenschaften – Professur für Geochemie & Lagerstättenkunde und die Arbeitsgruppe Thin Film Technology sowie sechs industrielle Partner: den Batteriezellhersteller PowerCo, den Wertstofftechnologie- und Recyclingkonzern Umicore, den Experten für Greif- und Handhabungstechnik Schunk, die Firma Fibro Läpple Technology als Anlagenintegrator sowie die Anlagenbauer Carl Padberg Zentrifugenbau und Weber Ultrasonics. Darüber hinaus unterstützt die Firma Siemens aus Steuerungs- und Digitalisierungssicht das Projekt im Rahmen einer assoziierten Partnerschaft.
Quelle: www.kit.edu
Bild: wbk, KIT
