Batterien, Bild: K. Selsam-Geißler, Fraunhofer ISC

Wertvolle Batteriematerialien sollen durch ein neues Verfahren zurückgewonnen werden. Bild: K. Selsam-Geißler, Fraunhofer ISC

Um Batterien und Produktionsabfälle aus der Batteriefertigung zu recyceln, werden aktuell energieintensive, metallurgische Methoden eingesetzt. Damit können nur elementare Metalle zurückgewonnen werden. Die Wertschöpfung beruht deshalb meist auf den Metallwerten von beispielsweise Nickel, Cobalt oder Mangan.

Wertvoller wäre eine Rückgewinnung der eigentlichen Batteriematerialien, die mit hohem Aufwand aus den Grundelementen hergestellt wurden, beispielsweise hochwertige Lithium-Metalloxide und bisher gar nicht recyclingfähige Kohlenstoffverbindungen. Das würde Energie und Kosten sparen und wertvolle Ressourcen wie Lithium nachhaltig sichern. Hier setzt das Projekt NEW-BAT an. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützt das Projekt mit rund 1,6 Millionen Euro im Rahmen der Fördermaßnahme: r4 - Forschung zur Bereitstellung wirtschaftsstrategischer Rohstoffe.

Unter der Leitung von Andreas Bittner von der Fraunhofer-Projektgruppe für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS arbeiten Wissenschaftler und Ingenieure aus Forschung und Industrie an einem neuen Verfahren, mit dem genau diese wertvollen Batteriematerialien komplett aus den Altbatterien zurückgewonnen und so aufbereitet werden, dass sie direkt wieder in neuen Batterien eingesetzt werden können.

Intelligent zerkleinern statt ziellos zerschreddern

Elektrohydraulische Zerkleinerungsanlage, Bild: Impulstec
Mit der elektrohydraulischen Zerkleinerungsanlage können Verbundmaterialien selektiv aufgetrennt werden. Bild: Impulstec

Das Kernstück des neuen Recyclingprozesses ist die elektrohydraulische Zerkleinerung mit Hilfe von Schockwellen. Bei diesem Verfahren wird das zu zerkleinernde Material in ein flüssiges Medium eingebracht, zum Beispiel Wasser. Über elektrische Entladung werden Schockwellen freigesetzt, die durch das Medium Wasser sehr gleichmäßig an das Material weitergegeben werden.

Dadurch werden Komposite quasi berührungsfrei an den Materialgrenzen aufgespalten und somit einfach und schonend separiert. Das Materialgemisch aus den verschiedenen Batteriekomponenten – Kathode, Anode, Elektrolyt, Separator sowie Zell- und Batteriegehäuse – wird anschließend getrennt. Um möglichst reines Batteriematerial zu erhalten, setzt die Forschergruppe Verfahren ein, die sowohl physikalische Eigenschaften, wie unterschiedliche Korngröße und Dichte, als auch die unterschiedliche chemische Zusammensetzung der Materialien zur Separation nutzen.

Das Verfahren ist besonders energieeffizient, da im Gegensatz zu metallurgischen Prozessen keine hohen Temperaturen benötig werden. Es kann für Produktionsausschüsse sowie für Altprodukte eingesetzt werden.

Aufbereiten mit funktionellen Beschichtungen

Insbesondere die Elektrodenmaterialien der Batterien altern im Lauf der Batterienutzung altern. Daher werden die Recyclingmaterialien genau geprüft und aufbereitet werden, um ihre ursprüngliche Qualität wiederherzustellen. Mit speziellen Niedertemperaturverfahren befreit das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC insbesondere Materialien der Lithium-Ionen-Batterien von unerwünschten Degradationsprodukten an den Oberflächen und behebt Defekte in den Kristallstrukturen. Diese Aufbereitung kann mit einer Veredelung in Form einer Kern-Schale-Beschichtung verknüpft werden. Dies verbessert das recycelte Material hinsichtlich der Lebensdauer sowie der Lade- und Entladeeigenschaften.

Das Projektteam

Zwei Partner aus der Wissenschaft bringen ihre Expertise auf den Gebieten Recycling, Substitution und Ressourcenstrategien sowie Materialentwicklung und elektrochemische Energiespeicher ein: Die Fraunhofer-Projektgruppe für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS in Alzenau/Hanau als Koordinator und ihr Mutterinstitut, das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC in Würzburg. Vervollständigt wird das Konsortium durch Industriepartner mit Anwendungskompetenz aus Recycling, Batterien und Anlagenbau, die Unternehmen Lars Walch in Baudenbach, GRS Service in Hamburg und die Impulstec in Dresden. do