Batterien effizienter recyceln

Der Markt für E-Autos wächst rapide und damit der Bedarf an Lithiumionen-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 Lithiumionen-Batterien erfordert nachhaltige und geschlossene Material­kreisläufe – von den Batterie­materialien über den gesamten Lebenszyklus bis zum Recycling – sowie eine kreislauffähige Produktion von Batterie­zellen“, so 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.

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 neunzig 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.

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 Lithiumionen-Batterien sowie der Regeneration der so wiedergewonnenen Aktivmaterialien“, so Projektkoordinator 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.

KIT / JOL