Kreislaufwirtschaft: Batterieforschung sucht den Sprung in die Zukunft des direkten Batterierecyclings

© Fraunhofer ISC, K. Selsam

Würzburg - Ohne Lithium-Ionen-Batterien ist umweltfreundliche Mobilität und nachhaltige Energieversorgung derzeit kaum vorstellbar. Doch der steigende Bedarf an Batterien und die damit verbundenen Rohstoffe stellen uns vor große Herausforderungen. Aktuell werden alte Batteriezellen meist mechanisch zunächst geschreddert und dann weiterverarbeitet, um einige Elemente zurückzugewinnen. Doch das soll sich mit einem neuen Ansatz auf dem Weg zu einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft ändern.

Das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC) in Würzburg plant den Übergang zum direkten Recycling von Lithium-Ionen-Batterien. Das bedeutet den Erhalt der Funktionsmaterialien und damit die erneute Nutzungsmöglichkeit im Rahmen der Aufbereitung alter Batterien. Ziel des Rewind-Projekts ist es, eine Lithium-Ionen-Batterie (LIB) zu entwickeln, deren Komponenten auch nahezu vollständig und strukturerhaltend zurückgewonnen werden können.

Rewind-Projekt : Direktes Batterierecycling für eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft
Mit dem Projekt Rewind sollen wichtige Hindernisse auf dem Weg zu einer effizienten und ökologisch nachhaltigen Kreislaufwirtschaft überwunden werden, teilte das ISC mit. Rewind wird im Rahmen des BattFutur Programms des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) durchgeführt.

Das Projektziel ist klar definiert: Die Recyclingfreundlichkeit von Batterien soll signifikant gesteigert werden, um die Ressourceneffizienz zu erhöhen und CO₂-Emissionen zu reduzieren. Ein weiteres zentrales Anliegen von Rewind es gleichzeitig, durch den Aufbau einer Nachwuchsgruppe am Fraunhofer FuE-Zentrum Elektromobilität (FZEB) des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC, dem Fachkräftemangel entgegenzuwirken und wissenschaftlichen Nachwuchs für die Batterieforschung zu gewinnen.

Batterie-Design von Beginn an denken: Fortschrittliches direktes Batterierecycling durch zirkuläres Design
Das Rewind-Projekt will neue Maßstäbe im Bereich des Batterierecyclings setzen. Mit einem zirkulären Ansatz »ab initio« – von Beginn an – zielt das Projekt darauf ab, eine Lithium-Ionen-Batterie (LIB) zu entwickeln, deren Prototyp nicht nur recyclingfreundlich ist, sondern deren Komponenten auch nahezu vollständig und strukturerhaltend zurückgewonnen werden können. Nach einem Regenerationsschritt können die Rezyklate dann direkt wieder in der Zellfertigung eingesetzt werden.

Trotz der großen Vorteile des direkten Recyclings – Ressourcenschonung und (potentiell) geringerer Produktionsaufwand durch den Verzicht des Hochtemperatureschritts während der Synthese der Aktivmaterialien – hat sich bisher noch kein entsprechendes Verfahren industriell durchgesetzt. Aktuell werden die Zellen deshalb meist mechanisch geschreddert und dann über hydrometallurgische Verfahren weiterverarbeitet – unter Gewinnung vieler Elemente, doch unter Verlust der Funktionsmaterialien.

Das liegt v. a. am bislang geringen technologischen Reifegrad. So erschweren zum Beispiel Verunreinigungen durch mechanische vorgelagerte Prozesse die Verarbeitung, wobei besonders die notwendige Separation von Kathoden und Anoden eine technologische Hürde ist. Aufgrund der Vielfalt an LIB-Zellformaten und den unterschiedlichen Zellchemien ist die Trennung von Anode und Kathode bisher kaum wirtschaftlich möglich, da die Batteriezellen nicht über eine Kennzeichnung der Inhaltsstoffe verfügen.

Auch hier setzt Rewind an und will die Kennzeichnung voranbringen, zum Beispiel in Kooperation mit Prof. Dr. Karl Mandel von der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg durch den Einsatz von Markerpartikeln, die eine einfache und zuverlässige Identifikation der Inhaltsstoffe ermöglichen.

Ein nachhaltiger Kreislauf – Entwicklung einer neuen LIB-Zelle
Das Herzstück des Projekts Rewind ist die Entwicklung einer LIB-Zelle mit speziell gestalteten, recyclinggerechten Elektroden und Zelldesigns. So können Kathoden- und Anodenaktivmaterial sowie Leitruß und Zellgehäuse durch teils automatisierte wasserbasierte und energieeffiziente Prozesse regeneriert und direkt in neuen Batterien eingesetzt werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Recyclingmethoden wie pyrometallurgischen und hydrometallurgischen Verfahren bietet das direkte Recycling signifikante Vorteile, insbesondere bei der Rückgewinnung von funktionalen, aber weniger »wertvollen« Kathodenaktivmaterialien wie Lithium-Eisenphosphat (LFP) und den Anodenmaterialien wie Graphit.

Zwar konzentrieren sich die Forschenden im Rewind-Projekt auf dieses Material. Zusätzlich wird das Konzept auf Natrium-Ionen-Batterien (NIB) übertragen, um die Anwendungsmöglichkeiten der entwickelten Technologien zu erweitern.

Das Rewind-Projekt steht nicht nur für technologische Innovation, sondern auch für eine nachhaltige Vision, die das Potenzial hat, die Industrie des Batterierecyclings grundlegend zu verändern, so die Einschätzung des Fraunhofer-Institut für Silicatforschung.

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