Geschlossener Rohstoffkreislauf und mehrfaches Recycling von Batterien

Batteriesysteme leisten einen unabdingbaren Beitrag in der von Deutschland und der Europäischen Union (EU) angestrebten Energie- und Mobilitätswende. Ziel des Projekts "HV-Batterie Recycling- und Resynthese-Prozesse für nachhaltige und funktionserhaltene Materialkreisläufe" (Kurz: HVBatCycle) ist die dauerhafte Rückgewinnung wertvoller Materialien zur Erhöhung von Nachhaltigkeit und Versorgungssicherheit.

Das Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST beteiligt sich daran, Batterien und -Systeme nachhaltig, energieeffizient und CO₂-neutral in funktionserhaltenen Materialkreisläufen zu produzieren.

Die Volkswagen AG leitet das Projekt federführend und plant gemeinsam mit den Partnern aus Wirtschaft und Wissenschaft nachzuweisen, dass die wertvollsten Bestandteile von Antriebsbatterien durch Recycling mehrfach nacheinander zurückgewonnen und wieder eingesetzt werden können. Diese Technologie kann erheblich zur Erreichung der Klimaziele beitragen und die Rohstoffabhängigkeit innerhalb der EU reduzieren.

Geschlossener Rohstoffkreislauf und mehrfaches Recycling

Um weniger Materialien aus primären Quellen wie Minen oder Salaren nutzen zu müssen, sollen wesentliche Rohstoffe nicht nur einmal, sondern gleich mehrfach zurückgewonnen werden. Dazu werden Batteriezellen aus recyceltem Material nochmals recycelt, um damit außerdem nachzuweisen, dass auch mehrfache Recyclingdurchläufe keinen Einfluss auf die Materialqualität haben.

Das Schließen des Kreislaufs erfordert komplexe interdisziplinäre Prozesse. Für eine effiziente, ökologisch und ökonomisch sinnvolle Verwertung müssen alle Verfahren aufeinander abgestimmt sein, um unter höchsten Sicherheitsanforderungen sortenreine und qualitativ hochwertige Sekundär-Materialien zu erzeugen. Dabei geht es insbesondere um Skalierbarkeit und Wirtschaftlichkeit.

Unabhängigkeit durch Dezentralisierung, Vorteile durch Einsatz von Sekundärmaterialien

Im Konsortialprojekt steht die mechanisch-hydrometallurgische Recyclingroute im Fokus, die sich durch einen geringen Energiebedarf und die Möglichkeit zu einer vergleichsweise einfachen dezentralen Verteilung bestimmter Recyclingprozesse in Europa auszeichnet. Das begünstigt eine lokale Kreislaufwirtschaft und sichert strategisch wichtige Rohstoffe, was die Abhängigkeit Europas von anderen Regionen der Welt deutlich reduziert. Das Projekt "HVBatCycle" soll effiziente Verfahren und innovative Lösungen aufzeigen, die den Aufbau einer End-to-End Wertschöpfungskette mit hoher Wirtschaftlichkeit bei gleichzeitig möglichst hoher Recycling- und Energieeffizienz und minimalen Umweltbelastungen gewährleisten.

Automatisierung der Demontageprozesse und Rückgewinnung des Elektrodenmaterials

Konkrete innovative Entwicklungsansätze liegen in einer bedarfsgerechten, d.h. wirtschaftlich optimierten Entladung und einer weitgehend automatisierten Demontage von rückläufigen Batteriesystemen bis auf Zell- oder Elektrodenebene. Dazu zählt auch eine nahezu verlustfreie Trennung von Aktivmaterial und Trägerfolien sowie die Rückgewinnung von Graphit und leichtflüchtiger Elektrolytbestandteile.

Bei der folgenden hydrometallurgischen Aufbereitung der "Schwarzen Masse" aus Graphit und Batteriemetallen durch Wasser und chemische Lösemittel steht eine frühe und selektive Extraktion des Lithiums in löslicher Form sowie die Laugung, Fällung und Raffination enthaltener Metalle als Mischhydroxid-Konzentrat im Vordergrund. Dabei soll in Zusammenhang mit der erneuten Materialsynthese von kathodischem Aktivmaterial untersucht werden, ob die Auftrennung von Metallverbindungen wirklich erforderlich ist, um neues, vollumfänglich leistungsstarkes Kathodenmaterial herzustellen.

Die Forschungsarbeiten zur Aufbereitung des Elektrolyten und des Graphits sollen durch die Entwicklung von geeigneten Verfahren zeigen, dass auch wichtige Elektrolytbestandteile und das Graphit effizient aufbereitet und wieder in batterietauglicher Qualität in der Zellproduktion eingesetzt werden können. Sämtliche Verfahrensschritte werden ganzheitlich von einer ökologischen und wirtschaftlichen Lebenszyklusanalyse begleitet.

Konkret beschäftigen sich die Forschenden des Fraunhofer IST mit der Identifizierung und Bewertung industrierelevanter Prozessrouten für die Resynthese von Aktivmaterialien aus Sekundärrohstoffen. Parallel werden wirtschaftliche und ökologische Aspekte zur Rückführung von Materialien aus dem Stoffkreislauf verglichen, um die Rückführbarkeit in Hinblick auf die resultierenden Materialeigenschaften zu analysieren. Zudem sollen prozessbegleitende Qualitätskontrollen untersucht werden, um gleichzeitig eine hohe Reproduzierbarkeit und Ressourceneffizienz zu etablieren.

Quelle: Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (IST)