Recycling von End-of-life-Lithium-Ionen-Batterien zur Gewinnung von Second-use-Anoden- und Kathodenmaterial für die Wiederverwendung in Recyclat-Lithium-Ionen-Zellen

Die Notwendigkeit für eine ressourcenschonende Aufbereitung von End-of-life-Lithiumbatterien ist ein gesellschaftliches und wirtschaftliches Erfordernis, da mit dem zunehmenden Einsatz von Elektro- und Hybridfahrzeugen die Zahl von ausgedienten oder defekten Li-Traktionsbatterien perspektivisch zunehmen wird. Die klassische Aufbereitung durch Hochtemperaturverfahren ist energetisch aufwändig und führt zudem nur zur partiellen Rückgewinnung der Wertelemente, die erst durch weitere chemische Prozesse wieder zu Kathodenmaterial werden. Viele Begleitelemente gehen zudem bei Hochtemperaturverfahren unwiederbringlich verloren. Die Rückgewinnung von werthaltigen Second-use-Materialien, welche durch energie- und materialschonende sowie emissionsfreie und abfallminimierende Verfahren in den Wiedereinsatz gelangen, ist deshalb das Gebot einer energieeffizienten, ressourcenschonenden und nachhaltigen Zukunftsstrategie.

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines neuen innovativen und umwelteffizienten Verfahrens für die industrielle Rückgewinnung von Kathoden- und Anodenmaterial aus End-of-life-Lithium-Traktionsakkus auf einem Qualitätsniveau, welches als Second-use-Elektrodenmaterial zur Herstellung von Recyclat-Lithiumbatterien für industrierelevante Anwendungen unmittelbar einsetzbar ist. Im Ergebnis der Projektbearbeitung soll eine hocheffiziente, umweltfreundliche und kostengünstige Verfahrenskette entstehen, mit der wesentliche Zellenkomponenten zurück gewonnen und in Recyclatzellen wieder eingesetzt werden können.

Vorgesehen ist eine wirtschaftlich tragfähige Wertschöpfungskette, die mit der Rücknahme von End-of-life-Traktionsakkus beginnt und mit der Herstellung von Recycling-Lithiumzellen und -batterien für neue Anwendungen endet. Mit der zu entwickelnden Technologie, die wesentlich auf neuartigen oder bisher im Recyclingbereich nicht üblichen Prozessschritten basiert, wird ein völlig neuer Batterietypus initiiert, welcher auf der Verwendung hochwertiger Sekundärrohstoffe basiert und gleichzeitig die stoffliche Verwertung von werthaltigen Komponenten aus Altbatterien sichert. Besonders die Steigerung der Ressourceneffizienz durch Rückgewinnung und Wiederverwendung der Kathodenbeschichtungen und die damit einhergehende Schonung natürlicher Rohstoffvorkommen (z. B. Kobalt) sind als wesentliche Zielstellungen des Projektes zu nennen.

Bei dem Vorhaben handelt es sich um ein vorwettbewerbliches Verbundprojekt, in dessen Mittelpunkt die Entwicklung einer industriellen Aufbereitungstechnologie für End-of-life-Lithiumtraktionsakkus steht, um daraus Second-use-Kathoden- und Anodenmaterial für die Fertigung von Recyclat-Lithiumzellen zu gewinnen, die in industrierelevanten Anwendungen einsetzbar sind. Das Vorhaben adressiert die Schwerpunkte des Recyclings ebenso wie des Second-use.

• Recycling: Prozesse zur Zerlegung und Aufarbeitung von unterschiedlichen Batterie- und Zellkonzepten und -komponenten; Prozesse (Vermeidung von Hochtemperaturverfahren) und Verfahren zur wirtschaftlichen Rückgewinnung strategischer Rohstoffe

• Second-use: Alterungsverhalten, Betriebskonzepte, Konzepte zur Nutzung unter-schiedlicher Zellen, Lebenszyklusbetrachtung

Die Schwerpunkte des Verbundvorhabes sind wie folgt definiert:

• Modifizierung und Erweiterung eines industriellen Aufbereitungsverfahrens zur funktionserhaltenden Rückgewinnung von hochwertigem Kathoden- und Anodenmaterial aus End-of-life-Lithiumbatterien.

• Aufbereitung und Konfektionierung der zurück gewonnenen Elektrodenmaterialien für die Wiederverwendung in Recyclatzellen.

• Erprobung der Second-use-Kathoden- und Anodenmaterialien in klein- und großformatigen Testzellen mit umfassender elektrochemischer Charakterisierung.

• Einstufung der Zellperformance von Recyclat-Batterien, die aus Second-use-Materialien verschiedener Quellen und Typen sowie unter verschiedenen Parametern der Aufbereitung gewonnen wurden, im Hinblick auf die industrierelevante Anwendung; Benchmarking.

• Anpassung des Recyclingprozesses für unterschiedliche Zelltypen in Labormaßstab.

• Festlegung der Materialparameter und der Verfahrensbedingungen für die industrielle Umsetzung des entwickelten Verfahrens.

• Nachweis der Funktionalität im Rahmen einer Demonstrationslinie.

• Vollständiger Verzicht auf pyrometallurgische Aufbereitungsstufen, Vermeidung luftgetragener Emissionen aus thermischen Prozessen.

Das Vorhaben basiert auf einer bereits bestehenden Logistik der Erfassung und des Transportes von End-of-life-Lithiumtraktionsbatterien aus Elektro- oder Hybridfahrzeugen sowie deren Demontage und Zerlegung in die Einzelkomponenten, die bereits zum jetzigen Zeitpunkt in einer Industrieanlage erfolgt und deren Erweiterung sich im Planungsverfahren befindet. Die ERLOS GmbH plant damit die unmittelbare industrielle Umsetzung der im Vorhaben entwickelten Technologie und die Implementierung in ihre Pilotanlage nach Abschluss des Projektes. Kernstück der Zerlegung der Zellen ist dabei die Separierung der Zellkomponenten in Anode, Kathode und Separator, um nach Abtrennung der Kathodenbeschichtung (NMC: Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid) insbesondere diese Komponenten so aufzubereiten, dass sie einer Neuanwendung im Recycling-Akku zugeführt werden können. Des Weiteren sind auch die Trägermaterialien einer getrennten stofflichen Verwertung zuzuführen. Die gesamte Technologie ist im Rahmen des Vorhabens derart zu entwickeln und zu optimieren, dass funktionsfähige Second-use-Kathoden- und Anodenmaterialien in solch einer Qualität bereit gestellt werden, dass sie zur Herstellung hochwertiger Recyclat-Lithiumionenzellen geeignet sind.

Die Ergebnisse des Vorhabens sollen dazu dienen, den Materialien von alten oder defekten Li-Zellen aus automobilen oder stationären Anwendungen ein zweites Leben zu verschaffen. Durch die schonende Form der Gewinnung liegen die einzelnen Komponenten in hoher Reinheit und ohne Schädigung ihrer Strukturen vor. Damit stehen diese Sekundärrohstoffe in hoher Qualität für den Einsatz in Recycling-Zellen verschiedener Größenordnungen bereit. Neben einer Schonung der natürlichen Ressourcen kann damit auch die physisch verfügbare Menge an elektrochemischen Speichermedien signifikant erhöht werden.