Der Markt für E-Autos wächst sehr schnell und damit der Bedarf an Lithium-Ionen-Batterien (LIB). Auch deren Recycling ist ein wichtiger Baustein im Produktionskreislauf. Aktuelle Verfahren zerlegen die aktiven Batteriematerialien in ihre molekularen Bestandteile – unter hohem Energie- und Chemikalieneinsatz. In einem groß angelegten Verbundprojekt entwickeln daher Forschende des KIT Karlsruher Institut für Technologie und Partner aus Industrieunternehmen eine vollständige Prozesskette, um gebrauchte Batterien effizienter zu verwerten, in dem sie die aktiven Komponenten funktionserhaltend zurückgewinnen. Das BMBF Bundesministerium für Bildung und Forschung, Berlin/Bonn, fördert das Projekt mit rund 3 Mio. Euro.
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. Der damit verbundene hohe Bedarf an Lithium-Ionen-Batterien erfordert laut Dr. Marco Gleiß vom Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik am KIT, der das Verbundprojekt „Agile Prozesskette zum direkten Recycling von Lithium-Ionen-Batterien und Regeneration der Aktivmaterialien“ (DiRecReg) auf Seiten des KIT koordiniert, nachhaltige und geschlossene Materialkreisläufe – von den Batteriematerialien über den gesamten Lebenszyklus bis zum Recycling – sowie eine kreislauffähige Produktion von Batteriezellen. Indem die Wertschöpfungskette geschlossen wird, kann gleichzeitig die Rohstoffabhängigkeit Deutschlands und der Europäischen Union reduziert werden.
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, wie beispielsweise Kobalt, Nickel und Mangan, wiedergewonnen werden, jedoch ist der Bedarf an Energie- und Chemikalien sehr hoch. Aus den gewonnenen Materialien muss außerdem unter großem Energieaufwand und Rohstoffeinsatz Batteriematerial komplett neu hergestellt werden. Neuere, vielversprechende Ansätze für Altbatterien und Produktionsausschüsse basieren auf dem direkten Recycling von Aktivmaterialien. M. Gleiß erklärt, dass dabei die Aktivmaterialien nicht mehr vollständig aufgelöst werden. Stattdessen werden sie in die einzelnen Zellbestandteile zerlegt und dann mechanisch getrennt, um sie möglichst rein zurückzugewinnen.
Aktives Rückgewinnen von Batteriematerialien noch in den Kinderschuhen
Bisher hat sich eine solche Prozesskette zum direkten Recycling in der Industrie jedoch nicht durchgesetzt. Noch lässt sich das Materialverhalten des wiedergewonnenen Rezyklats nicht vorhersagen. Außerdem gibt es keine Kriterien und Regeln, um die Einsatzfähigkeit des gealterten Materials zu beurteilen. Darüber hinaus fehlt es nach Aussage von Projektkoordinator Dr. Thomas Dreyer, Weber Ultrasonics AG, Karlsbad, 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 das 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. Wichtig ist 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 darüber hinaus die energieintensiven Prozessschritte der zurzeit eingesetzten Recycling-Verfahren zu ersetzen und nachhaltig recycelte, hochwertige Sekundärmaterialien im Sinne einer Kreislaufwirtschaft zu liefern, sagt M. Gleiß.
Drei Millionen Euro für Verbundprojekt mit vier Forschungs- und sieben
Industriepartnern
Das Projekt DiRecReg hat eine Laufzeit von drei Jahren und wird vom BMBF mit 2,95 Mio. Euro gefördert. Das Projektkonsortium unter Federführung der Firma Weber Ultrasonics AG 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 SE, den Wertstofftechnologie- und Recyclingkonzern Umicore AG & Co. KG, den Experten für Greif- und Handhabungstechnik SCHUNK SE & Co. KG, die Firma FIBRO LÄPPLE TECHNOLOGY GMBH als Anlagenintegrator sowie die Anlagenbauer Carl Padberg Zentrifugenbau GmbH und Weber Ultrasonics AG. Außerdem unterstützt die Firma Siemens aus Steuerungs- und Digitalisierungssicht das Projekt im Rahmen einer assoziierten Partnerschaft.
