Intilion GmbH

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Hoppecke Rail Systems GmbH

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Bundesministerium für Bildung und Forschung

Referat 523: Werkstoffinnovationen, Batterie; Hereon, 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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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.

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

Herr Dr. Matthias Schmidt

ERLOS GmbH Europa-Recycling- und Logistik-Systeme

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ERLOS Produktion und Montagen GmbH

Die enorme Leistungsfähigkeit moderner Lithium-Ionen-Traktionsakkus für elektrisch angetriebene Fahrzeuge beruht insbesondere auf der chemischen Zusammensetzung und dem speziellen Design der als Kathode und Anode eingesetzten Materialien und Materialverbunde. Das gilt besonders für das Kathodenmaterial, eine Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Sauerstoffverbindung, an die besondere Anforderungen hinsichtlich Zusammensetzung, Konfiguration und Design gestellt werden. Eine Rückgewinnung der im Kathodenmaterial enthaltenen Elemente ist wegen ihres materiellen Wertes wirtschaftlich sinnvoll und verringert die Abhängigkeit der Batteriehersteller von Rohstoffimporten und eventueller Rohstoffengpässe, insbesondere bei den strategisch bedeutsamen Elementen Kobalt oder Nickel.
Die besondere Herausforderung und der innovative Ansatz im Rahmen des Verbundprojektes ReALBatt besteht für die ERLOS GmbH vor allem in der Entwicklung und der produktionsreifen Umsetzung der industriellen Rückgewinnung von funktionstüchtigem Kathoden- und Anodenmaterial aus End-of-life-Lithiumbatterien für eine Second-use-Anwendung. Bei der Rückgewinnung des Kathoden- und Anodenmaterials aus ausgesonderten oder defekten Lithiumbatterien darf das funktionsfähige Material keine Qualitätsminderung/ Degradierung oder Verunreinigung (z. B. durch diffundierende Metallionen beim Entladeprozess oder die nass-chemische Behandlung) erleiden.  Funktionsfähiges und degradiertes Material kann im Aufbereitungsprozess zu unterschiedlichen Nebenreaktionen führen, welche die Eigenschaften der gesamten jeweiligen Recyclatfraktion negativ beeinflussen können. Gleiches gilt für die Abtrennung hoher Gehalte an Binder und Leitruß, welche die Kapazität der Recyclat-Zellen signifikant reduzieren und eine erneute industrielle Anwendung verhindern könnten.

Für die im Rahmen der Verfahrensentwicklung erforderlichen Laborarbeiten stellt die Erlos GmbH sowohl komplette Zellen aus der Traktionsakku-Demontage als auch bereits vorseparierte Kathoden und Anoden von Lithium-Traktionsbatterien unterschiedlichen Alterungsgrades und verschiedener Fabrikate zur Verfügung. Des Weiteren wird vorbehandeltes NMC-Schwarzmaterial aus der nass-chemischen Aufbereitungslinie der ERLOS für die Laborversuche, Analysen und Behandlung vorbereitet und den Projektpartnern zur Verfügung gestellt. Bei den beteiligten Unternehmen und Instituten erfolgt die umfassende Charakterisierung der Materialien und deren mechanische und chemisch-physikalische Behandlung mit der Zielstellung, geeignete Recyclate herzustellen.
In enger Abstimmung mit den Partnern wird anschließend geprüft, ob die entwickelten chemisch-mechanischen Verfahren hinsichtlich Prozessdauer und -parametern für eine industrielle Überführung geeignet sind und welche Strategien zur Aufbereitung und Rezyklisierung der Prozessmedien anzuwenden sind. Hierzu werden einzelne Prozessschritte im größeren Maßstab manuell oder unter Verwendung von Einzelaggregaten der vorhandenen Anlage nachvollzogen, um die Umsetzung der manuellen Arbeitsschritte und die Verarbeitbarkeit für den industriellen Maßstab zu prüfen.

Die im Labormaßstab entwickelten Verfahrensschritte werden schrittweise auf die einzelnen Prozessschritte der Technikumsanlage bei der ERLOS übertragen und jeweils auf ihre Wirkung und Leistungsfähigkeit getestet. Die erfolgreichsten Verfahrensvarianten werden intensiv erprobt und die gewonnenen Recyclate durch die Partner umfassend charakterisiert. Zur Herstellung von Recyclat-Testelektroden und Recyclat-Testzellen werden die erzeugten Recycling-Materialien von der ERLOS an die Projektpartner übergeben.

Nachfolgend soll der Gesamtprozess bis zu einem stabilen, kontinuierlichen Betrieb geführt werden. Die im Testbetrieb erzeugten Recyclate sind zu charakterisieren, danach erfolgt die Rückkopplung auf die Anlagenfahrweise. Prozessmedien und Stoffströme werden analytisch verfolgt.

Darüber hinaus hat die ERLOS im Auftrag der Projektpartner die Gesamtprojektleitung für das Vorhaben übernommen und nimmt in dieser Eigenschaft auch die Vertretung des Konsortiums gegenüber dem Projektträger sowie die Koordination wahr.

Die ERLOS GmbH plant die unmittelbare industrielle Umsetzung der im Rahmen des Vorhabens entwickelten Technologie und die Implementierung in ihre Pilotanlage zur Demontage von Li-Traktionsakkus nach Abschluss des Projektes. Vorbehaltlich einer wirtschaftlichen Realisierbarkeit -was in entscheidendem Maße von den Aufbereitungskosten sowie den zu erzielenden Preisen für die zurück gewonnenen Produkte (insb. die Kathodenbeschichtung) und im Endeffekt von den Herstellungskosten von Recyclat-Zellen abhängt- soll eine möglichst schnelle Umsetzung erfolgen, so dass für die bereits jetzt anfallenden und perspektivisch noch höheren Mengen an Lithium-Ionen-Traktionsakkus eine hochwertige und vollständige stoffliche, wirtschaftliche und ökologische Verwertung abgesichert werden kann.
Das im Projekt neu zu entwickelnde Verfahren wird die (2019) im Planungsstadium befindliche industrielle Demontage- und Aufbereitungslinie für Li-Traktionsakkus ergänzen und daher voraussichtlich nur verhältnismäßig geringe zusätzliche Investitionen erfordern. Neu und signifikant ist die jedoch die Anforderung, dass nicht die alleinige Abtrennung, sondern die funktionserhaltende Qualität des rückgewonnenen Kathoden- und Anodenmaterials im Fokus steht: Die Second-use-Materialien müssen frei von Verunreinigungen und oberflächlichen Anlagerungen sein, in der technisch erforderlichen Partikelgrößenverteilung und ohne bzw. nur mit einem geringen Restgehalt an Störstoffen vorliegen und die funktionellen Strukturen müssen auch nach den Zerkleinerungs- und Behandlungsschritten komplett erhalten bleiben. Nur so ist eine unmittelbare Weiterverarbeitung zu Recyclat-Elektroden und damit zu Second-use-Zellen möglich.

Mit der Implementierung einer Technologie zur Herstellung von Li-Batterien unter Nutzung von Recyclingmaterialien kann eine Kreislaufwirtschaft im Sinne eines realen "Urban Mining" erfolgen. Darüber hinaus kann durch die Nutzung von Sekundärrohstoffen die bergbauliche Gewinnung von Batteriematerialien reduziert werden und ein signifikanter Beitrag zur Ressourcenschonung erfolgen.

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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]

Netzsch Trockenmahltechnik GmbH

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.

Laufzeit	01.01.2019 - 31.03.2022
Ausführende Stelle	Hoppecke Rail Systems
Standort	Zwickau
Fördersumme	298.845,00 €
Projektvolumen	k. A.
Fördergeber	BMFTR

Projekt

ReALBatt

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

Projektbetreuung als

Hoppecke Rail Systems GmbH

Hoppecke Rail Systems GmbH

Förderung

Dieses Projekt ist Teil des Verbundprojekts

ReALBatt

Weitere Teilprojekte des Verbundvorhabens

Teilprojekt 1

Laufzeit:

Förderkennzeichen:

ERLOS Produktion und Montagen GmbH

Teilprojekt 3

Laufzeit:

Förderkennzeichen:

Netzsch Trockenmahltechnik GmbH

Teilprojekt 4

Laufzeit:

Förderkennzeichen:

Fachgebiet Physikalische Chemie

Dieses Projekt ist Teil der Förderinitiative

Batterie 2020 (Transfer)

Teilprojektleitung

Hoppecke Rail Systems GmbH

Teilprojektleiter*in

Verbundprojektkoordination

ERLOS Produktion und Montagen GmbH

Verbundprojektkoordinator*in

Pressekontakt

Links

Abschlussberichte und sonstige Veröffentlichungen in der TIB –Leibniz-Informationszentrum Technik und Naturwissenschaften und Universitätsbibliothek