Recycling von Automobil-Lithium-Ionen-Batterien der nächsten Generation zum Wiedereinsatz für elektromobile und stationäre Anwendungen

Im Rahmen ihres Teilvorhabens erarbeitet die Universität Stuttgart ein Konzept für die partielle Substitution von Kathodenmaterial-Neuware durch das Rezyklat welches zuvor von den Projektpartnern unter Berücksichtigung unterschiedlicher Rückgewinnungs- und Nachbehandlungsverfahren aufbereitet wurde.

Die wissenschaftlichen und technischen Arbeitsziele können zusammengefasst werden zu:

• Optimierung des Rezyklatanteils in der Kathode mit einem angestrebten Anteil von min. 10 M%

• Untersuchung des Einflusses des beigefügten Rezyklats auf die Performance und Lebensdauer der Zelle

• Entwicklung eines Simulationsmodells zur Auflösung des Rezyklateinflusses und zur Slurryoptimierung

Im Projekt wird zunächst eine Slurryrezeptur entwickelt und es werden die Kathoden mit einem beigemischten Rezyklatanteil hergestellt. Diese werden anschließend in kleinformatigen Testzellen getestet und der Einfluss des Rezyklats auf die elektrische Performance sowie auf das Degradationsverhalten der Zelle wird unter Benchmarking gegenüber Zellen mit reinem Neumaterial untersucht. Die Kathodenzusammensetzung wird hinsichtlich des Rezyklatanteils so optimiert, dass dieser möglichst hoch liegt ohne signifikante Einbußen bei Performance, Leistung und Lebensdauer der Zelle in Kauf zu nehmen. Angestrebt wird ein Rezyklatanteil von min. 10 M%. Begleitend zum Herstellungsprozess wird ein elektrisches, thermisches und mechanisches Modell der Zelle aufgebaut. Mit Hilfe von Monte-Carlo Simulationen soll der Einfluss von Größenverteilungen (Partikelgröße, Poren) auf die Stromdichteverteilung in den Elektroden bestimmt werden. Damit soll zum einen das Verständnis des Rezyklateinflusses in den Zellen erhöht werden und zum anderen die Slurryrezeptur hinsichtlich der Performance optimiert werden. Das für Testzellen erarbeitete Modell wird in einem weiteren Schritt auf großformatige Zellen übertragen und validiert. Mit Hilfe des Modells soll das Betriebsfenster der Zelle hinsichtlich des Alterungsverhaltens optimiert werden. Abschließend wird das Modell genutzt, um komplette Batteriesysteme darzustellen. Dabei soll das Modell einen Beitrag leisten die passende Zelltopologie und das entsprechende Batteriebetriebsfenster für die jeweilige (stationäre) Applikation zu finden.

Zum Projektende sollen zum einen eine funktionsfähige Rückgewinnungsanlage für Kathodenmaterial aus end-of-life-Traktionsakkus der nächsten Generation vorliegen. Zudem sollen großformatige Zellen aus rückgewonnenem Kathodenmaterial bereits im Einsatz erprobt worden sein und schließlich ein (weltweit erster) funktionierender stationärer Speicher aus rückgewonnenem Kathodenmaterial vorliegen.

Die im Projekt erarbeiteten Ergbenisse werden damit in erster Linie anwendung bei Recycling Unternehmen und Zellherstellern finden.