Identifikation und Rückgewinnung von Wertkomponenten aus Kondensaten beim Batterierecycling

Organische Elektrolytlösungsmittel (ELM) aus Altbatterien sind komplexe Mischungen unbekannter Komponenten, da neben den ursprünglich eingesetzten Lösungsmitteln und Additiven während des Betriebs eine Vielzahl von Zersetzungs- und Alterungsprodukten in geringen Konzentrationen entsteht. Daraus ergibt sich die zentrale Herausforderung des Recyclings: Die stoffliche Zusammensetzung des zu behandelnden Gemisches ist unbekannt. Ihre Kenntnis ist jedoch die Voraussetzung für die thermodynamische Modellierung und damit für die Auslegung und Optimierung von Verfahren zur Rückgewinnung wertvoller Bestandteile. Ziel des Teilprojekts ist es, etablierte Methoden der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) und klassische thermodynamische Modelle mit Methoden des maschinellen Lernens (ML) zu kombinieren, um das Recycling der ELM zu ermöglichen.

Die Zusammensetzung der ELM wird zunächst mittels NMR-Spektrometer analytisch untersucht, um bislang unbekannte organische Nebenkomponenten strukturell aufzuklären und die Konzentration der Komponenten durch quantitative Messungen zu bestimmen. Darauf aufbauend wird das am Lehrstuhl für Thermodynamik an der RPTU entwickelte NMR-Fingerprinting, das Standard-NMR-Experimente mit ML-basierten Klassifikations- und Clusteringalgorithmen verknüpft, gezielt für ELM-Kondensate weiterentwickelt. Mit dieser Methode lassen sich auch Komponenten automatisiert und zuverlässig charakterisieren, für die keine manuelle Strukturaufklärung möglich ist. Die Ergebnisse werden mit weiteren Analyseverfahren (GC-FID, KF-Titration, IC) zusammengeführt und validiert. Die Methodik wird dabei so ausgelegt, dass die erhaltene Charakterisierung der Mischungen unmittelbar als Grundlage für die thermodynamische Modellierung der ELM dient. Auf dieser Basis werden die Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichte sowie, sofern erforderlich, weiterer Phasengleichgewichte in den Kondensaten modelliert. Die entwickelten Modelle fließen anschließend in die Prozesssimulation der fraktionierenden Batchrektifikation ein.

Die entwickelten Methoden und Modelle werden unmittelbar zur Auslegung und Simulation destillativer Aufarbeitungsverfahren für ELM-Kondensate im Batterierecycling genutzt und leisten damit einen Beitrag zu ressourceneffizienten Recyclingprozessen und zur Stärkung der Batteriezellproduktion in Deutschland. Darüber hinaus liefert der Aufschluss der im Kondensat vorliegenden Verunreinigungen Erkenntnisse über die Zersetzungsmechanismen in den Zellen, die für eine Optimierung der Rohstoffauswahl für neue Elektrolyte von großer Bedeutung sind. Die elektrochemische Charakterisierung der aufbereitenden Lösungsmittel erlaubt zudem Rückschlüsse auf die erforderlichen Spezifikationen dieser Rohstoffe.

Quelle: RPTU, Lehrstuhl für Thermodynamik (24.09.2026)