Design for Recycling

Symbolic picture for the article. The link opens the image in a large view. — Foto: Fraunhofer ISC

9. February 2023

Die programmierte Unsterblichkeit der Lithium-Ionen-Batterie

Forschungsteams der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) sowie des Leibniz-Institut für Neue Materialien (INM) in Saarbrücken und des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung (ISC) in Würzburg starteten am 1. Februar 2023 das Projekt AdRecBat, das die Wiederverwertung von Lithium-Ionen-Batterien nicht zu deren Lebensende, sondern bereits zum Zeitpunkt des Produktdesigns betrachtet. Ziel des Projekts ist es, die Batteriekomponenten so gegeneinander abzugrenzen, dass eine sortenreine Wiederverwertung möglich wird. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert das Projekt über drei Jahre mit insgesamt 1,8 Millionen Euro aus dem Sondervermögen „Klima- und Transformationsfonds“.

Die Welt erlebt derzeit einen gigantischen Boom der Lithium-Ionen-Batterie-Technologie. Für die kommenden zehn Jahre sind nach Aussage des europäischen Mobilitätsverbands „Transport and Environment“ mehr als 40 Projekte für Batterie-Fabriken in Europa angekündigt. Im Sinne der Nachhaltigkeit der Elektromobilität muss damit einhergehend die Forschung an effizientem Recycling der Batteriematerialien und ihre quasi vollständige Rückführung in den Rohstoffkreislauf schnellstmöglich vorangetrieben werden. Dabei geht es nicht nur um die energiespeichernden Komponenten selbst, sondern auch um Elektroden, Verkapselung und Gehäuse. Im BMBF-Projekt AdRecBat – Additiv-basiertes ‚Design for Recycling‘ von Lithium-Ionen-Batterien – bündeln Forschungsteams des INM, des ISC und der FAU ihre Expertise. Ihr Ansatz ist es, Lithium-Ionen-Batterien auf mehreren Ebenen so zu gestalten, dass sich die verwendeten Materialien am Ende des Batterielebens problemlos voneinander trennen und separat wiederverwerten lassen. Dazu untersuchen die Partner recyclingrelevante Schlüsselstellen, an denen die Materialien während der Lebensdauer der Batterien sicher zusammenhalten, sich an deren Lebensende aber leicht voneinander lösen lassen.

Recyclingrelevante Stellen sind etwa die Siegelnaht der Pouchfolie, die Schnittstelle zwischen Stromabnehmer und Elektrode und die Grenzfläche zwischen Aktivmaterial und Kathode. Ist die Batterie verbraucht, werden, je nach den Eigenschaften der verwendeten Triggermaterialien, Trennreaktionen gezielt durch Veränderungen des äußeren Magnetfeldes, der Temperatur oder des pH-Wertes ausgelöst. Die nun vorliegenden Einzelkomponenten können dem Herstellungskreislauf dann wieder zugeführt werden.

„Die Trigger-Additive sollen flexibel und nach Möglichkeit unabhängig vom Batterietyp integrierbar sein, so dass unterschiedliche Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien ihre Produkte mit den Additiven ausrüsten und deren Recyclability verbessern können“, erläutert Professor Tobias Kraus, Projektleiter AdRecBat am INM, und ergänzt: “Voraussetzung für den Erfolg des Verfahrens ist, dass die Additive in der Batterie quasi unsichtbar bleiben und deren Funktionalität in keinerlei Hinsicht beeinträchtigen.“

Ziel sei es, die Effizienz und damit die Wirtschaftlichkeit des Recyclings im Vergleich zu existierenden pyro- und hydrometallurgischen Verfahren zu erhöhen, bei denen die ausrangierten Batterien ohne Zwischenschritte im Ganzen geschreddert werden.

Die Supraparticle Group der FAU (Prof. Mandel, Professur für Anorganische Chemie) erweitert in diesem Projekt Ihre Kompetenzen im Bereich der Herstellung definierter Nano‑, und Mikropartikel. Mit Hilfe dieser maßgeschneiderten und aktivierbaren Mikropartikel (sog. Suprapartikel) sollen an den genannten Grenzflächen die wertvollen Materialien wiederverwendbar voneinander getrennt werden.