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

Das Ziel des Projektvorhabens ist die Entwicklung eines neuen innovativen und umwelteffizienten Verfahrens für die industrielle Rückgewinnung von Kathoden- und Anodenmaterial aus end-of-life-Lithium-Batterien von Elektrofahrzeugen. Die erzeugten Recyclate sollen ein Qualitätsniveau besitzen, um sie als Second-use-Elektrodenmaterial zur Herstellung von Recyclat-Lithiumbatterien für industrierelevante Anwendungen, wie beispielsweise Gabelstaplern, Flurförderzeugen oder stationären Speichern unmittelbar einsetzen zu können.

Dieses Ziel erfordert die Entwicklung eines schonenden Verfahrens, um das Kathoden- und Anodenmaterial ohne Schädigung von den Trägerfolien zu lösen und unter Erhalt der jeweiligen elektrochemischen Funktionalität in eine wiederverwertbare Form zu überführen. Dies bedeutet, die Materialien ohne chemische oder mechanische Degradation, beispielsweise durch ungewollte Nebenreaktionen und Degradationsprozesse und unter Erhalt der Partikelkonfigurationen und Partikelgrößenverteilung zurückzugewinnen. Weitere Aufbereitungs- und Konfektionierungsschritte sollen dazu führen, die Recyclate in unmittelbar wieder einsetzbare Materialfraktionen zu überführen. Alle gewonnenen Erkenntnisse werden auf die Versuchsanlage überführt und ihre Praxistauglichkeit in der Anlage überprüft und angepasst. Das zentrale Element der Projektarbeiten ist eine umfassende chemisch-physikalische Materialanalytik der Eingangsmaterialien und der Recyclate. Hierzu zählt der Einsatz verschiedener Methoden, insbesondere der chemischen Präzisonsanalytik, der Mikroskopie, der Spektroskopie und der Partikelanalytik, um Veränderungen und Degradationen auszuschließen und die Güte der Recyclate in Abhängigkeit von den Parametern der Aufbereitung zu ermitteln und zu optimieren.

Ein wesentlicher Arbeitsschwerpunkt ist die schonende Rückgewinnung des Anoden- und Kathodenmaterials, wofür verschiedene chemisch-mechanische Vorgehensweisen zu erproben sind. Zielgröße ist hier die Vermeidung jeglicher Degradationsprozesse an den Materialien sowie von Verunreinigungen, die beispielsweise von anhaftendem Elektrolyt und den darin enthaltenen Substanzen ausgehen können. Nachfolgende Konfektionierungsschritte dienen der Überführung der Recyclate in verarbeitungsfertige, binder- und leitrußarme Fraktionen mit den erforderlichen Partikelcharakteristika und Schüttguteigenschaften für den Wiedereinsatz.

Die BTU beteiligt sich an der schrittweisen Übertragung der im Labormaßstab entwickelten Verfahrensschritte auf die einzelnen Prozessschritte bzw. Maschinen der Technikumsanlage der ERLOS. Die im Labormaßstab erfolgreichsten Verfahrensvarianten werden entsprechend erprobt. Die gewonnenen Recyclate und Prozessmedien werden durch die BTU chemisch-physikalisch charakte-risiert, um Aussagen über die Effizienz des Verfahrens und die Qualität der Recyclate zu gewinnen.

Die BTU stellt die kontinuierliche Charakterisierung der erzeugten Materialfraktionen und der eingesetzten Prozessmedien sicher. Schwerpunkt ist die chemisch-physikalische Analyse der Kathoden- und Anoden-Recyclate, deren chemische Zusammensetzung mit Methoden der Präzisionsanalytik verfolgt wird, um geringste Veränderungen oder Verunreinigungen aufzuzeigen. Spektroskopische und mikroskopische Verfahren dienen der Charakterisierung der Materialoberflächen, um beispielsweise oberflächliche Degradationen durch Niederschläge auszuschließen. Mit Verfahren der Partikelanalyse werden die Recyclatfraktionen nach der Rückgewinnung und nach erfolgter Konfektionierung charakterisiert. Hinzu kommt die prozessbegleitende Analytik der Prozesschemikalien in den Laborversuchen und in der Verfahrensübertragung

Eine ressourcenschonende Aufbereitung von End-of-life-Lithiumbatterien ist eine gesellschaftliche und wirtschaftliche Notwendigkeit, da mit dem zunehmenden Einsatz von Elektrofahrzeugen die Zahl von Lithiumtraktionsbatterien stetig zunehmen wird. Klassische Aufbereitungswege, beispielsweise durch Hochtemperaturverfahren, sind energetisch aufwändig und führen zudem nur in kleinskaligen und komplexen Laborverfahren zur vollständigen Rückgewinnung der Wertelemente Cobalt, Nickel und Mangan in hoher Qualität. Erst durch aufwendige chemische Syntheseprozesse lassen sich daraus neue Elektrodenmaterialien herstellen. Überdies gehen bei Hochtemperaturverfahren weitere in den Batterien enthaltene Metalle, überwiegend als Schlacke, verloren.

Eine energie- und materialschonende Rückgewinnung von werthaltigen, weil funktionsfähigen Second-use-Materialien ist ein Kernelement einer energieeffizienten, ressourcenschonenden und nachhaltigen Zukunftsstrategie. Jede Form der Wiederverwertung hilft, die Verfügbarkeit der erforderlichen Materialien zu erhöhen, die Abhängigkeit von Importen der Primärmaterialien und die Folgen der bergbaulichen Gewinnung dieser Metalle zu verringern.

Der besondere Beitrag des Projektes, zu dem die BTU einen Beitrag leistet, liegt in der Verkürzung der bisherigen Wertschöpfungskette, die vom Erz zum Elektrodenmaterial führt, indem funktionsfähige Materialien aus den zukünftig massenhaft anfallenden Alt-Batterien gewonnen werden, die unmittelbar zu funktionsfähigen Lithiumionenbatterien für verschiedenste Anwendungen weiterverarbeitet werden können. Die resultierenden Kosten- und Wettbewerbsvorteile können dazu dienen, die Akzeptanz und Verbreitung der Elektromobilität und allgemein elektrischer Energiespeichersysteme zu erhöhen.