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Zusammenfassendes Poster zum Verbundvorhaben ReLiBat

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VARTA Storage GmbH

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Bundesministerium für Bildung und Forschung

Bundesministerium für Bildung und Forschung
Referat 511: Neue Werkstoffe, Nanotechnologie; KIT

Bundesministerium für Bildung und Forschung
Referat 523: Werkstoffinnovationen, Batterie; Hereon, KIT

Bundesministerium für Bildung und Forschung
Referat 525: Batterieforschung; KIT

Referat 525: Batterieforschung; KIT

Bundesministerium für ­Forschung, Technologie und Raumfahrt Referat 525: Batterieforschung; KIT

Bundesministerium für ­Forschung, Technologie und Raumfahrt

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Ziel des Vorhabens ReLiBat ist, unter Berücksichtigung der besonderen Eigenschaften von Traktionsakkus der nächsten Generation in einem industriellen Rückgewinnungsprozess funktionsfähiges Kathodenmaterial in so hoher Qualität zurück zu gewinnen und aufzubereiten, dass es als Beimischung zur Herstellung neuer Batteriezellen geeignet ist. Neben dem etablierten direkten Recyclingprozess per Wasserstrahlverfahren der Firma Erlos wird dafür der zuvor genannte URT-Shredderprozess weiterentwickelt. Die Güte der Prozesse wird durch Fertigung von sowohl klein- als auch großformatigen Testzellen mit Rezyklat-Beimischung und deren Vergleich mit herkömmlichen Batteriezellen aufgezeigt. Angestrebt wird außerdem der Aufbau von Modulen sowie deren Einsatz in stationäre Speicher/ mobilen Applikationen. Die Arbeiten werden von der Entwicklung eines Simulationsmodells zur Beschreibung des Rezyklateinflusses und einer Lebenszyklusanalyse (LCA) der gesamten Prozesskette begleitet.

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

Herr Dr. Nicolas Bucher

VARTA Microbattery GmbH

Ziel dieses Teilvorhabens ist die Integration von gewonnem Rezyklat zu möglichst hohen Anteilen über die Pilotfertigung in zylindrischen Zellprototypen. Über die Prozessadaption, Rezepturoptimierung, Zellaufbau, sowie physiko-chemische und elektrochemische Testung der Zellen erfolgt die Evaluation auf dem Reifegrad von TRL 5-6.

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Arbeitseinheit NMT: Neue Materialien und Chemie

Projektträger Jülich Arbeitseinheit NMT: Neue Materialien und Chemie

Projektträger Jülich

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[verbundprojekt]

[Verbundprojekt]

Ziel dieses Teilprojektes ist die Entwicklung und Umsetzung eines Verfahrens zur Rückgewinnung hochwertiger NMC-Blackmass mit dem Ziel der Direktintegration der Blackmass (rec. von min. 10 W% zu dann 90 W% Virgin-NMC).

Inhaltliche Schwerpunkte liegen auf:
- Entwicklung der eigentlichen Verfahrenstechnik
- REFA-Studien zur Akku-Zerlegung
- Umsetzung der Verfahrenstechnik
- LCA des Prozesses
- projektbegleitende Analytik

Durch die Reintegration von NMC zu Virgin-NMC mit Entwicklung und Umsetzung der Verfahrenstechnik sollen hochwertige und damit hochreine NMC-Recyclate aus BEV- und PHEV-Akkus gewonnen werden.

ERLOS GmbH Europa-Recycling- und Logistik-Systeme

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ERLOS Produktion und Montagen GmbH

Herr Dr. Matthias Schmidt

Mechanische Recyclingverfahren für end-of-life-Lithium-Ionen-Batterien gewinnen immer mehr Bedeutung. Diese Verfahren basieren auf der mechanischen Zerkleinerung kompletter bzw. teildemontierter Akkus unter Inertgasatmosphäre, verschiedenen thermischen Schritten  und einer anschließenden mechanischen Separation in unterschiedliche Fraktionen, von denen die „black mass“ die Zielfraktion darstellt. Die Zielfraktion neben dem Kathodenmaterial auch Graphit und Binder von der Anode und von den jeweiligen Prozessbedingungen abhängige Restgehalte an Aluminium, Kupfer, Leitsalzreste, Separatorenreste und Reste der keramischen Separatorenbeschichtung. Die Qualität des Recyclates hängt jedoch stark von den konkret eingesetzten Maschinen und den gewählten Prozessparametern, so dass auf dem Markt sehr unterschiedliche Qualitäten von „black mass“ zu unterschiedlichen Preisen existieren. Im Sinne einer gesteigerten Wirtschaftlichkeit wäre es wünschenswert, die Qualität der „black mass“ Fraktion im Recyclingprozess und/oder durch nachträgliche Prozessschritte weiter zu erhöhen, um beispielsweise die Restgehalte an Metallen, Kunststoffen, Leitsalzen, Anodengraphit und Binder zu verringern.

1.	Die umfassende chemisch-analytische Charakterisierung einer bestehenden Recyclinganlage hinsichtlich der entstandenen Stoffströme und eine Optimierung innerhalb der möglichen Prozessparameter, um die Qualität der „black mass“ Fraktion zu erhöhen.
2.	Optimierung des Verfahrens hinsichtlich Zerkleinerungs- und Trenntechnologie und Erprobung neuer technischer Lösungsansätze. 
3.	Untersuchung von Degradationsprozessen während des Recyclinsprozesses, welche zur Beeinträchtigung der Materialqualität führen kann.
4.	Die Entwicklung von Nachbehandlungsschritten für die gewonnenen Recyclate, um den Anteil an Kathodenmaterial in der Zielfraktion weiter zu erhöhen und um Degradationserscheinungen zu minimieren.
5.	Kontinuierlicher Einsatz der Materialanalytik mit chemischen, mikroskopischen und spektroskopischen Methoden im gesamten Projektverlauf.

Für die BTU steht die wissenschaftliche Verwertung der Projektergebnisse im Vordergrund. Hierzu zählt primär, die Erkenntnisse und Ergebnisse zum vorliegenden Einzelvorhaben sowie zum daraus entstehenden Gesamtkreislauf in Fachjournalen sowie in Form von Fachbeiträgen gemeinsam mit den Projektpartnern auf nationalen und internationalen Tagungen/ Konferenzen zu veröffentlichen und ein Promotionsvorhaben nach Projektende erfolgreich zu beenden. Die wissenschaftliche Verwertung der Ergebnisse ist dabei im Kontext mit der wirtschaftlichen Verwertung zu betrachten, indem im laufenden Projekt die Patentwürdigkeit der Entwicklungen fortlaufend zu prüfen und im Falle deren Eignung Schutzmaßnahmen für das geistige Eigentum auszulösen sind. Zur wissenschaftlichen Verwertung zählt ebenso, die im Projekt entwickelten methodischen Vorgehensweisen und erzielten Projektergebnisse in die praxisnahe Ausbildung des Nachwuchses in den ingenieur- und naturwissenschaftlichen Studiengängen zu integrieren. Durch den Einsatz von Studierenden (z. B. Studien- und Abschlussarbeiten) wird die optimale Verbindung von Ausbildung, Forschung und praktischer Anwendung erreicht und hochqualifizierter wissenschaftlicher Nachwuchs für Wirtschaft und Forschung ausgebildet.
Vom Projekt und seinen Erkenntnissen erwartet sich die BTU eine weitere Schärfung ihres Profils als forschungsorientierte und leistungsstarke Universität, speziell auf dem Gebiet der Lithium-Ionen-Batterien. ReLiBat dient damit als eine weitere Referenz, sich als wertvoller Partner für die Beteiligung an weiteren Forschungsvorhaben zu empfehlen, um so an der Weiterentwicklung der Batterietechnologie mitzuwirken und so die wissenschaftlich-technische Anschlussfähigkeit herzustellen.

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Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg

Fachgebiet Physikalische Chemie

Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg Institut für Materialchemie Fachgebiet Physikalische Chemie

Institut für Materialchemie

Herr Prof. Dr. Jörg Acker

Prof. Dr.

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.

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Universität Stuttgart

Hochschulkommunikation

Fachgebiet Elektrische Energiespeichersysteme

Universität Stuttgart Institut für Photovoltaik Fachgebiet Elektrische Energiespeichersysteme

Institut für Photovoltaik

Herr Dr. Alexander Fill

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Hochschule Esslingen

Referat Kommunikation

Institut für nachhaltige Energietechnik und Mobilität

Hochschule Esslingen Institut für nachhaltige Energietechnik und Mobilität

Herr Prof. Dr. Ralf Wörner

Die Herausforderungen dieses Teilprojektes umfassen:
-  Erschwerte Durchführung des etablierten direkten Recyclingverfahrens mit Wasserstrahlentschichtung aufgrund dünnere Trägerfolien in den neuen Generationen von Li-Ionen-Akkus
-  Durch dünnere Trägerfolien sinkt auch deren mechanische Stabilität, was in der praktischen Anwendung zur Deformation der Folien und somit in der Verwertung mit den gängigen Trennverfahren zu Problemen führt
-  Verunreinigung des zurückgewonnenen NMC mit extrem hohen Gehalten an Aluminium, was die elektrochemischen Eigenschaften verschlechtert
-  Beschleunigte Degradationsprozesse neuer Li-Ionen-Akkus erfordern eine erhöhte Geschwindigkeit der Entschichtung

Die Ziele dieses Teilprojektes sind:
-   Zurückgewinnung eines funktionsfähigen Kathodenmaterials in ausreichender Qualität im Rahmen eines industriellen Rückgewinnungsprozesses, um die Eignung zur Beimischung und Herstellung neuer Batteriezellen zu gewährleisten
-  Weiterentwicklung des URT-Shredderprozesses als Alternative zum Wasserstrahlverfahren
-  Aufbau von Modulen aus rückgewonnenem Kathodenmaterial zur mobilen und stationären Anwendung

Die Arbeiten konzentrieren sich dabei auf:
-  Klassifizierung von EoL-Batterien
-  Demontage von EoL-Batterien
-  Rückgewinnung des Kathodenmaterial-Rezyklats durch Wasserstrahl- sowie URT-Verfahren
-  Rezyklatcharakterisierung und -nachbehandlung
-  Slurryformulierung, Testzellen, Zellcharakterisierung und Modellbildung
-  Großformatige Zellen, Zellcharakterisierung und Modellbildung
-  Einsatz in Fahrzeug, stationären Speichern und Modellbildung

Die Ergebnisse des Teilprojektes sollen wirtschaftlich und technisch folgendermaßen verwertet werden:
-  Umsetzung eines demontagefreundlichen Moduldesigns
-  Einbettung der Erkenntnisse in bestehende und neue Produktions-/Recycling-Anlagen
-  Einsatz der im Rahmen des Projekts aufgebauten Module als Stationärspeicher

Laufzeit	01.10.2023 - 30.09.2026
Ausführende Stelle	VARTA Storage
Standort	Nördlingen
Fördersumme	144.680,00 €
Projektvolumen	k. A.
Fördergeber	BMFTR

VARTA Microbattery GmbH

ERLOS Produktion und Montagen GmbH

Fachgebiet Physikalische Chemie

Fachgebiet Elektrische Energiespeichersysteme

Institut für nachhaltige Energietechnik und Mobilität

GreenIng GmbH & Co. KG