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ZSW mit neuem Ansatz bei Recyling von Lithium-Ionen-Batterien erfolgreich

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Stuttgart- Ein flächendeckendes Recycling von Lithium-Ionen-Batterien, vor allem aus Elektroautos, soll zukünftig nachhaltig die Versorgung mit kritischen Rohstoffen sicherstellen. Heutige Recyclingverfahren gewinnen nur einige Metalle zurück, Lithium geht dabei teilweise verloren, Grafit sogar vollständig. Ein neues Verfahren könnte dies nun ändern.

Der Übergang in eine klimaneutrale Wirtschaft erfordert einen umfassenden Ausbau der Kreislaufwirtschaft - gerade auch bei Batterien. Am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) wurde im Rahmen eines Forschungsprojektes ein Recyclingprozess entwickelt, durch den Aktivmaterialien aus gebrauchten Lithium-Iionen-Batterien wiederaufbereitet und direkt in neuen Batterien eingesetzt werden können. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren bleiben die Aktivmaterialien bei dem neuen Prozess erhalten und können nach Wiederherstellung der ursprünglichen Funktionalität direkt in neuen Batterien wiederverwendet werden. Das Projekt wurde vom baden-württembergischen Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus seit August 2020 mit 870.000 Euro finanziert.

Recyceltes Material kann direkt für neue Batteriezellen verwendet werden

Im Entwicklungsprojekt „Kathoden- und Anodenmaterialien aus recycelten Lithium-Ionen-Batterien (RecycleMat)“ hat das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg ein ressourcenschonendes Verfahren entwickelt, um die Aktivmaterialien von Kathode, dem Plus-Pol der Batterie, und Anode, dem Minus-Pol, aus gebrauchten oder defekten Batterieelektroden mechanisch zu trennen, zu reinigen und über eine Wärmebehandlung zu neuwertigen Pulvern aufzubereiten.

Dies geschieht nach Angaben des ZSW in relativ einfachen chemischen Prozessen. Die mit dem neuen Verfahren reaktivierten Materialpulver erreichen 95 Prozent ihrer Ausgangskapazität. Das gilt sowohl für die Metalloxide im Pluspol der Batterien als auch überraschenderweise für den Grafit des Minuspols. Die Forschenden haben aus solchem Recyclingmaterial bereits neue Batteriezellen hergestellt und elektrochemisch vermessen.

„Das neue Recyclingverfahren ermöglicht es, ausrangierte Batterieelektroden mit einer Kathodenstruktur aus den heute gängigen Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxiden und einer Anode aus Graphit zu reaktivieren und dann direkt in neuen Zellen einzusetzen. Dieser Ansatz vermeidet das heute übliche und energieintensive Auflösen und Wiedergewinnen der metallischen Komponenten beim gleichzeitigen Verlust des Grafits“, so die wissenschaftliche Leiterin des Projektes Dr. Marilena Mancini.

ZSW setzt bei Recycling auf einfache chemische Prozesse

Im Rahmen des Projekts mussten insbesondere für das Recycling des Grafits aus dem Minuspol der Batterie neue Ansätze und Verfahren entwickelt werden, da Grafit typischerweise nicht recycelt, sondern meistens einfach verbrannt wird. Die Lösung des Problems war eine komplexe Temperaturbehandlung, die sowohl die Oberfläche der Partikel von Verunreinigungen befreit als auch die kristalline Materialstruktur wiederherstellt. Das derart nachbehandelte Grafitpulver verfügt über 95 Prozent des spezifischen Energieinhalts des Ausgangsmaterials und kann direkt wieder in neuen Batterien verbaut werden.

Die Materialien mit dem höchsten Wertanteil in der Batterie sind die Kathodenmassen im Pluspol der Batterie, da sie unter anderem teure Metalle wie Nickel, Mangan, Kobalt (NMC) und Lithium enthalten. Aktuelle Recyclingprozesse konzentrieren sich deshalb auf diese Kathodenmaterialien, indem diese im Verlauf des Prozesses komplett in Säure aufgelöst werden und dann Schritt für Schritt wieder in Batterierohstoffe umgewandelt werden. Diese Recyclingverfahren verbrauchen jedoch viel Energie und erfordern idealerweise die Nähe zu einem Chemiestandort.

Das ZSW-Verfahren für das Recycling von Kathodenmaterialien entspricht im Wesentlichen dem des Graphits und vermeidet somit eben diese energieintensiven chemischen Schritte. Nach nur zwei relativ einfachen Prozessschritten können die Kathodenmaterialien direkt wieder in neuen Batterien eingesetzt werden und zeigen nach Angaben des ZSW ebenfalls deutlich mehr als 90 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität.

Batterie-Recyling: Rückgewinnung von Metallen auch wirtschaftlich lukrativ

Mit zunehmendem Erfolg der Elektromobilität und der Massenproduktion der Batterien rückt nun auch das Recycling in den Vordergrund. Diese Diskussion wird einerseits durch gesetzliche Rahmenbedingungen angetrieben, die je nach Region und Land eine Recyclingquote von bis zu 80 Prozent bei der Verschrottung von Elektro-Pkw fordern. Andererseits sind es Berechnungen, nach denen ein umfassendes Recycling notwendig sein wird, um zukünftig überhaupt ausreichend Batterien für Elektrofahrzeuge bauen zu können.

Zudem machen die großen Mengen an Metallen wie Kupfer, Nickel, Kobalt, Aluminium und das Lithium das Batterierecycling auch bereits aufgrund ihre Metallwerte wirtschaftlich und lukrativ. So enthält eine Tonne nickelhaltiges Gestein aus einer Nickelmine nur rund 20 Kilogramm Nickel. In einer Batterie, wie sie etwa für einen Mittelklassewagen gebraucht wird, sind jedoch bereits 60 Kilogramm Nickel enthalten. Bei einem Batteriegewicht von 500 Kilogramm entspricht dies einer fünffachen Anreicherung dieses Metalls im Vergleich zur Mine. Bei Lithium ist dieser Faktor noch viel höher: Sechs Kilogramm Lithium in einer Batterie ersparen beim erfolgreichen Recycling das Aufarbeiten mehrerer tausend Kubikmeter an lithiumhaltiger Salzlösung.


© IWR, 2022


06.09.2022

 



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