Erhalten statt schreddern und zersetzen

Mit dem Markt für Elektrofahrzeugen wächst der Bedarf an Lithium-Ionen-Batterien, was wiederum auch deren Recycling zunehmend in den Fokus rückt. Aktuelle Verfahren zerlegen die aktiven Batteriematerialien in ihre molekularen Bestandteile – unter hohem Energie- und Chemikalieneinsatz.

In einem groß angelegten Verbundprojekt verfolgen jetzt Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und Partner aus Industrieunternehmen eine völlig andere Herangehensweise: Die aktiven Komponenten sollen funktionserhaltend zurückgewonnen werden. Das Bundesforschungsministerium fördert das Projekt „Agile Prozesskette zum direkten Recycling von Lithium-Ionen-Batterien und Regeneration der Aktivmaterialien“ − kurz „DiRecReg“ − mit knapp 3 Millionen Euro. Während der Laufzeit von drei Jahren soll eine vollständige Prozesskette abgebildet werden.

Rohstoffabhängigkeit verringern

„Der hohe Bedarf an Lithium-Ionen-Batterien erfordert nachhaltige und geschlossene Materialkreisläufe sowie eine kreislauffähige Produktion von Batteriezellen“, erklärte dazu Marco Gleiß vom Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik, der das Verbundprojekt aufseiten des KIT koordiniert. „Indem wir die Wertschöpfungskette schließen, können wir gleichzeitig die Rohstoffabhängigkeit Deutschlands und der Europäischen Union reduzieren“, so Gleiß.

Aktuelle Verfahren zerkleinern die Batteriezellen und lösen die Aktivmaterialien bis auf die Molekülebene auf, um sie später in Form von Metallsalzen aus der Flüssigkeit zu gewinnen. Zwar können so bis zu 90 Prozent der kritischen Elemente, etwa Kobalt, Nickel und Mangan, wiedergewonnen werden. Jedoch ist der Bedarf an Energie- und Chemikalien für die erforderlichen Prozesse sehr hoch. Aus den gewonnenen Materialien muss zudem unter großem Energieaufwand und Rohstoffeinsatz Batteriematerial komplett neu hergestellt werden.

Recycling der Aktivmaterialien

Neuere, vielversprechende Ansätze für Altbatterien und Produktionsausschüsse basieren auf dem direkten Recycling von Aktivmaterialien. „Dabei werden die Aktivmaterialien nicht mehr vollständig aufgelöst. Stattdessen werden sie in die einzelnen Zellbestandteile zerlegt und dann mechanisch getrennt, um sie möglichst rein zurückzugewinnen“, erläutert Gleiß.

Bisher hat sich eine solche Prozesskette zum direkten Recycling in der Industrie allerdings nicht durchgesetzt. Ein wesentlicher Grund: Noch lässt sich das Materialverhalten des wiedergewonnenen Rezyklats nicht vorhersagen. Außerdem gibt es keine Kriterien und Regeln, um die Einsatzfähigkeit des gealterten Materials zu beurteilen. Darüber hinaus fehlt es derzeit noch an praxisnahen, wirtschaftlichen Lösungen, um die verschiedenen Batteriepacks ohne großen Aufwand bis hin zu den einzelnen Bestandteilen zerlegen zu können.

„Diese kritischen Punkte greift unser Verbundvorhaben auf und beschäftigt sich primär mit der Entwicklung einer agilen Prozesskette für das direkte Recycling von Lithium-Ionen-Batterien sowie der Regeneration der so wiedergewonnenen Aktivmaterialien“, erläutert Projektkoordinator Thomas Dreyer von der Weber Ultrasonics AG. Ziel sei es zudem, die energieintensiven Prozessschritte der zurzeit eingesetzten Recycling-Verfahren zu ersetzen und nachhaltig recycelte, hochwertige Sekundärmaterialien im Sinne einer Kreislaufwirtschaft zu liefern.