Kreislaufwirtschaft für Batterien

Ohne Lithium-Ionen-Batterien ist umweltfreundliche Mobilität und nachhaltige Energie­versorgung kaum vorstellbar. Doch der steigende Bedarf an Batterien und die damit verbundenen Rohstoffe stellen uns vor große Heraus­forderungen. Mit dem Projekt „Rewind“ sollen wichtige Hindernisse auf dem Weg zu einer effizienten und ökologisch nachhaltigen Kreislauf­wirtschaft überwunden werden. Es wird im Rahmen des BattFutur Programms des Bundes­ministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) durchgeführt. Das Projektziel ist klar definiert: Die Recycling­freundlichkeit von Batterien soll signifikant gesteigert werden, um die Ressourcen­effizienz zu erhöhen und CO₂-Emissionen zu reduzieren. 

Ein zentrales Anliegen ist es, durch den Aufbau einer Nachwuchsgruppe am Fraunhofer FuE-Zentrum Elektro­mobilität (FZEB) des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC, dem Fachkräftemangel entgegenzuwirken und wissenschaftlichen Nachwuchs für die Batterieforschung zu gewinnen. Dieses Vorhaben unterstützt das übergeordnete Ziel, ein „Kompetenz­zentrum für direktes Recycling“ zu etablieren und damit die Grundlagen für zukünftige Innovationen zu legen. Das Projekt setzt damit neue Maßstäbe im Bereich des Batterie­recyclings. Mit einem zirkulären Ansatz „ab initio“ zielt das Projekt darauf ab, eine Lithium-Ionen-Batterie (LIB) zu entwickeln, deren Prototyp nicht nur recycling­freundlich ist, sondern deren Komponenten auch nahezu vollständig und struktur­erhaltend zurückgewonnen werden können. Nach einem Regenerations­schritt können die Rezyklate dann direkt wieder in der Zellfertigung eingesetzt werden. 

Trotz der Vorteile des direkten Recyclings – Ressourcen­schonung und (potentiell) geringerer Produktionsaufwand durch den Verzicht des Hochtemperatur­schritts während der Synthese der Aktivmaterialien – hat sich bisher noch kein entsprechendes Verfahren industriell durchgesetzt. Aktuell werden die Zellen deshalb meist mechanisch geschreddert und dann über hydro­metallurgische Verfahren weiter­verarbeitet – unter Gewinnung vieler Elemente, doch unter Verlust der Funktions­materialien. Das liegt vor allem am bislang geringen technologischen Reifegrad. So erschweren zum Beispiel Verunreini­gungen durch mechanische vorgelagerte Prozesse die Verarbeitung, wobei besonders die notwendige Separation von Kathoden und Anoden eine technologische Hürde ist. Aufgrund der Vielfalt an LIB-Zellformaten und den unter­schiedlichen Zellchemien ist die Trennung von Anode und Kathode bisher kaum wirtschaftlich möglich, da die Batterie­zellen nicht über eine Kennzeichnung der Inhaltsstoffe verfügen. 

Auch hier setzt das Projekt an und will die Kennzeichnung voranbringen, zum Beispiel in Kooperation mit Karl Mandel von der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg durch den Einsatz von Markerpartikeln, die eine einfache und zuverlässige Identi­fikation der Inhaltsstoffe ermöglichen. Das Herzstück aber ist die Entwicklung einer LIB-Zelle mit speziell gestalteten, recycling­gerechten Elektroden und Zelldesigns. So können Kathoden- und Anodenaktiv­material sowie Leitruß und Zellgehäuse durch teils automatisierte wasser­basierte und energie­effiziente Prozesse regeneriert und direkt in neuen Batterien eingesetzt werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Recyclingmethoden wie pyrometallurgischen und hydrometallurgischen Verfahren bietet das direkte Recycling signifikante Vorteile, insbesondere bei der Rückgewinnung von funktionalen, aber weniger wertvollen Kathodenaktiv­materialien wie Lithium­eisenphosphat (LFP) und den Anoden­materialien wie Graphit.

Angesichts der wachsenden Nachfrage nach LFP und dessen Bedeutung in der Batterie­technologie konzentriert sich das Projekt auf dieses Material. Zusätzlich wird das Konzept auf Natrium-Ionen-Batterien (NIB) übertragen, um die Anwendungsmöglichkeiten der entwickelten Technologien zu erweitern. Die Materialkosten für NIB sind im Vergleich zu LIB geringer. Aber es bestehen noch ungelöste technologische Heraus­forderungen wie eine geringere Energiedichte – und damit automatisch mehr Platzbedarf und Gewicht für die gleiche Batterie­kapazität.

Das Fundament für „Rewind“ wurde durch eine Reihe öffentlicher Projekte wie AutoKlass, IDcycLIB, AdRecBat, NaKlar und ReUse gelegt, die maßgeblich vom Fraunhofer ISC initiiert und geleitet wurden. „Diese Projekte haben nicht nur wertvolles Wissen und eine robuste Infra­struktur geschaffen, sondern auch den Weg geebnet für eine effiziente Arbeit im Rewind-Projekt“, so Andreas Flegler, Leiter des Fraunhofer FuE-Zentrums Elektro­mobilität. Mit dem Projekt bietet sich die große Chance, den Kreislauf des direkten Recyclings zu schließen, ein tiefgreifendes Verständnis für den Gesamtprozess zu entwickeln und innovative Prozessschritte zu erarbeiten. Das Projekt soll in den Aufbau eines Kompetenz­zentrums für direktes Recycling münden. Dieses soll eine Plattform für interessierte Industrie­unternehmen wie Anlagenbauer, OEM oder Material­hersteller sein.

Fh.-ISC / JOL