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 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.