Der Markt für E-Autos wächst rapide 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 Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und Partner aus Industrieunternehmen eine vollständige Prozesskette, um gebrauchte Batterien effizienter zu verwerten, in dem sie die aktiven Komponenten funktionserhaltend zurückgewinnen. Das Bundesforschungsministerium fördert das Projekt mit knapp drei Millionen 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 nachhaltige und geschlossene Materialkreisläufe – von den Batteriematerialien über den gesamten Lebenszyklus bis zum Recycling – sowie eine kreislauffähige Produktion von Batteriezellen“, so Dr. Marco Gleiß vom Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik, der das Verbundprojekt „Agile Prozesskette zum direkten Recycling von Lithium-Ionen-Batterien und Regeneration der Aktivmaterialien“ (DiRecReg) auf Seiten des KIT koordiniert. „Indem wir die Wertschöpfungskette schließen, können wir gleichzeitig die Rohstoffabhängigkeit Deutschlands und der Europäischen Union reduzieren“, so Gleiß.
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 Prozent 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 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 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 der Weber Ultrasonics AG. 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.
Drei Millionen Euro für 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 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. Darüber hinaus unterstützt die Firma Siemens aus Steuerungs- und Digitalisierungssicht das Projekt im Rahmen einer assoziierten Partnerschaft.
Weitere Informationen: https://www.mvm.kit.edu/
Details zum KIT-Zentrum Materialien
Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 10 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 22 800 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.