Wie Batterien recyclingfreundlicher werden
Lithium-Ionen-Batterien sind derzeit eine wichtige Komponente für umweltfreundliche Mobilität und nachhaltige Energieversorgung. Doch durch die verstärkte Nutzung von Batterien steigt der Bedarf an dem Rohstoff Lithium, dessen Ressourcen selbstverständlich auch nur endlich sind. Forschende wollen nun dafür sorgen, dass Batterien recyclingfreundlicher werden.
Im Fraunhofer-Projekt "Rewind" arbeiten die Forschenden daran, die Recyclingfreundlichkeit von Batterien zu steigern.
Foto: Fraunhofer ISC/Rewind
Das Projekt „Rewind“ vom Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC, das im Rahmen des „BattFutur“-Programms des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) initiiert wurde, zielt darauf ab, durch eine effiziente Kreislaufwirtschaft möglichst viele wertvolle Bestandteile aus alten Batterien zurück zu gewinnen und diese wieder der Produktion zuzuführen.
Im Rahmen des Projekts soll erforscht werden, wie die Recyclingfreundlichkeit von Batterien erheblich verbessert werden kann, um die Ressourceneffizienz zu steigern und die CO2-Emissionen zu senken. Rewind setzt dabei bereits beim Batteriedesign und der Produktion an, um im Nachgang das Batterierecycling am Ende des Lebenszyklus zu optimieren. Mit einem zirkulären Ansatz von Anfang an wird eine Lithium-Ionen (Li-Ion)-Batterie entwickelt, deren Komponenten nahezu vollständig und strukturerhaltend zurückgewonnen werden können. Diese Rezyklate können nach einem Regenerationsschritt direkt wieder in der Zellproduktion eingesetzt werden. Trotz der Vorteile des direkten Recyclings – wie Ressourcenschonung und reduzierter Produktionsaufwand – hat sich bisher kein Verfahren industriell etabliert. Der noch geringe technologische Reifegrad und Herausforderungen wie Verunreinigungen durch vorgelagerte mechanische Prozesse erschweren die Umsetzung. Auch in diesem Bereich will Rewind Fortschritte machen. In Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Karl Mandel von der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg werden Markerpartikel entwickelt, die eine einfache und zuverlässige Identifikation der Inhaltsstoffe ermöglichen. Diese Kennzeichnungstechniken könnten die Effizienz des Recyclingprozesses erheblich steigern und somit die Wirtschaftlichkeit erhöhen.
Nachhaltigkeit durch neues Zelldesign
Der Kern von dem Projekt ist die Entwicklung einer Li-Ion-Batteriezelle mit speziell gestalteten, recyclinggerechten Elektroden und Zelldesigns. Diese neuen Designs ermöglichen es, Kathoden- und Anodenaktivmaterial sowie Leitruß und Zellgehäuse durch teils automatisierte, wasserbasierte und energieeffiziente Prozesse zu regenerieren und direkt in neuen Batterien zu verwenden. Im Vergleich zu herkömmlichen Recyclingmethoden wie pyrometallurgischen und hydrometallurgischen Verfahren soll das direkte Recycling von Rewind signifikante Vorteile bieten, insbesondere bei der Rückgewinnung von funktionalen, aber weniger wertvollen Kathodenaktivmaterialien wie Lithium-Eisenphosphat (LFP) und Anodenmaterialien wie Graphit. Angesichts der wachsenden Nachfrage nach LFP und dessen Bedeutung in der Batterietechnologie konzentriert sich Rewind auf dieses Material. Zusätzlich wird das Konzept auf Natrium-Ionen-Batterien übertragen, um die Anwendungsmöglichkeiten der entwickelten Technologien zu erweitern. Die Materialkosten für Natrium-Ionen-Batterien sind im Vergleich zu Li-Ion-Batterien geringer, aber es bestehen noch ungelöste technologische Herausforderungen wie eine geringere Energiedichte – was automatisch mehr Platzbedarf und Gewicht für die gleiche Batteriekapazität bedeutet.
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Die Grundlage für Rewind wurde durch eine Reihe öffentlicher Projekte wie „AutoKlass“, „IDcycLIB“, „AdRecBat“, „NaKlar“ und „ReUse“ gelegt, die vorwiegend vom Fraunhofer ISC initiiert und geleitet wurden. Diese Projekte haben nicht nur entsprechendes Wissen und eine geeignete Infrastruktur geschaffen, sondern auch den Weg für eine effiziente Arbeit im Rewind-Projekt geebnet. Dr. Andreas Flegler, Leiter des Fraunhofer Forschungs- und Entwicklungszentrums Elektromobilität (FZEB) und Initiator von Rewind, betont die Bedeutung dieser Vorarbeiten für den Erfolg des Projekts. Damit biete sich die große Chance, den Kreislauf des direkten Recyclings zu schließen und ein tiefgreifendes Verständnis für den Gesamtprozess zu entwickeln. Ziel sei es, innovative Prozessschritte zu erarbeiten und ein Kompetenzzentrum für direktes Recycling zu schaffen. Dieses Zentrum soll als Plattform für interessierte Industrieunternehmen wie Anlagenbauer, OEMs oder Materialhersteller dienen.
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Ein nachhaltiger Beitrag zur Batterieforschung
Mit Unterstützung von akademischen Mentoren wie Professor Mandel und einer Vielzahl von Industriepaten wird das Projekt nicht nur wissenschaftliche, sondern auch praktische Lösungen erarbeiten, die schnell in der Industrie umgesetzt werden können. Ein wesentlicher Aspekt dieses Projekts ist der Aufbau einer Nachwuchsgruppe am FZEB des Fraunhofer ISC. Dies soll den Mangel an Fachkräften bekämpfen und den wissenschaftlichen Nachwuchs in der Batterieforschung fördern.
