Das Fraunhofer FuE-Zentrum für Elektromobilität (FZEB) arbeitet mit seiner Forschung und Entwicklung an effizienten und nachhaltigen Lösungen zum Batterierecycling in Deutschland. Kürzlich wurde ein weiteres Verbundprojekt der Batterieforscher zum direkten Recycling von Batteriematerialien mit der Industrie gestartet: ProBatman, das die Prozessschritte entlang der gesamten Recycling-Prozesskette hinsichtlich Reinheit und Ausbeute optimieren soll.
Die Elektromobilität hat Fahrt aufgenommen – weltweit und auch in Deutschland. Was passiert, wenn die zugehörigen Batterien ausgemustert werden? Ab dem Jahr 2040 wird laut dem FZEB mit bis zu 360.000 metrischen Tonnen an ausgedienten Lithium-Ionen-Batterien jährlich gerechnet. Sie nur als Abfall zu behandeln, wäre Ressourcenverschwendung. Die derzeit etablierten pyro- und hydrometallurgischen Recyclingverfahren für Lithium-Batterien zielten nur auf einen Teil der in den Lithium-Ionen-Batterien eingesetzten Materialien. Außerdem erforderten sie hohen Energieeinsatz oder eine große Menge an Hilfsstoffen und seien deshalb nicht effizient genug.
„Mit den richtigen Technologien können ausgediente Batterien nicht nur als Quelle für kritische Rohstoffe dienen, sondern auch die bereits verarbeiteten Funktionsmaterialien liefern und so Energie und Ressourcen sparen“, sagen die Forscher. „Die dafür notwendigen Technologien müssen jetzt weiterentwickelt, optimiert und hochskaliert werden, damit sie rechtzeitig verfügbar sind.“
Das in diesem Jahr gestartete Projekt ProBatman ziele auf die Rückgewinnung möglichst vieler Materialkomponenten aus Altbatterien. Das von der Netzsch-Gerätebau GmbH koordinierte Projekt sehe anspruchsvolles Potenzial im direkten Recycling und der vergleichend betrachteten Resynthese und Wiederverwendung zurückgewonnener Rohstoffe. So könnten durch die ProBatman-Aufarbeitung der ab 2040 prognostizierten 340.000 metrischen Tonnen Altbatterien jährlich hochgerechnet bis zu 1,3 Gigatonnen CO2-Äquivalente eingespart werden.
„Steigerung von Rentabilität und Kreislauffähigkeit durch direktes Recycling“
Moderne Lithium-Ionen-Batteriematerialien enthalten weder Nickel noch Cobalt, was den Einsatz von hydro- oder pyrometallurgischen Verfahren weniger rentabel machen wird. ProBatman setzt deshalb auf die Rückgewinnung auch der flüchtigen Bestandteile und Leitsalze. Dies wird bereits beim ersten Schritt – dem gefahrlosen Öffnen der Batteriezellen unter Inertgas – berücksichtigt. Auch die Trennung der Lithium-Ionen-speichernden Aktivmaterialien von den Elektroden wie auch die anschließende Entbinderung und Sortierung sollen mit neuen Technologien so schonend und präzise wie möglich erfolgen. Die zurückgewonnenen Materialien werden analysiert, gereinigt und für die Wiederverwendung je nach Sorte auf spezifischem Weg regeneriert.
Die bei den einzelnen Prozessschritten benötigten Technologien werden hinsichtlich ihrer Skalierbarkeit, Umweltfreundlichkeit und anderer Sicherheitsaspekte geprüft. Gleichzeitig werden alle zur Verfügung stehenden Prozessparameter und Materialdaten im Rahmen einer prospektiven Lebenszyklusanalyse ausgewertet, um weiteres Optimierungspotenzial zu identifizieren und die Technologien schrittweise in einen höheren Reifegrad zu überführen.
„So soll der gesamte Recyclingprozess für Batteriehersteller und spezialisierte Recyclingunternehmen attraktiv werden“, erklären die Verantwortlichen. Mit den Projektpartnern BMW AG, EurA AG, Fraunhofer ISC, Netzsch Group und Universität Würzburg stehe ein erfahrenes Projektkonsortium in den Startlöchern, um die technologischen Hürden zu meistern. Unterstützt wird das Konsortium durch die IBU-tec advanced materials AG, Trumpf Laser- und Systemtechnik SE, Jungheinrich AG & Co. KG, Zahner Elektrik GmbH & Co. KG und Delfortgroup AG.
Das Fraunhofer FuE-Zentrum Elektromobilität (FZEB) am Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC hat vor einigen Jahren den Fokus auf das direkte Recycling von Lithium-Ionen-Batterien in der eigenen Forschung gelegt. In einer Reihe von Projekten konnte so die Klassierung – also die sortenreine Trennung – beziehungsweise die Rückgewinnung von Lithium-Eisen-Phosphat mit halbkontinuierlichen Zentrifugen demonstriert werden und mit der Forschung an der Regeneration von verschiedenen Aktivmaterialien begonnen werden.
Um dem großen Ziel einer nachhaltigen und recyclinggerechten Lithium-Ionen-Batterie näher zu kommen, werden derzeit auch Design-for-Recycling-Ansätze und der Nutzen von digitalen Zwillingen erforscht. „Darüber hinaus bringt das Fraunhofer ISC wissenschaftliche Expertise in Materialforschung und Analytik für Lithium-Ionen-Batterien sowie eine eigene Pilotfertigung für Pouchzellen in das Projekt ein“, erklären die Forscher.
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