Die Entwicklung der Elektromobilität mit dem Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) leistet einen wesentlichen Beitrag zur Umstellung der Verkehrsmittel und zur Dekarbonisierung in Europa. Ausgediente LIB müssen zur Ressourcenschonung und Verringerung der Umweltbelastung in Deutschland gesetzlich recycelt werden. Durch die Rückgewinnung des Sekundärmaterials werden Rohstoffversorgungsrisiken und Abhängigkeiten minimieren. Die Altbatterien werden tiefenentladen, zerlegt und schließlich zerkleinert. Metallurgische Verfahren wie z. B. Pyrometallurgie werden genutzt, um Rohstoffe aus der sogenannten schwarzen Masse zu gewinnen. Diese Verfahren sind jedoch sehr energie- und kostenintensiv. Ein anderes Vorgehen ist das direkte Recycling, bei dem das Aktivmaterial chemisch regeneriert wird. Dies reduziert u. a. den Materialverlust, Energieverbrauch und die CO2-Emissionen. Allerdings ist eine reine und effiziente Trennung des Aktivmaterials, bzw. eine Erweiterung der Demontagetiefe von LIB erforderlich, wofür bisher kein optimales Verfahren etabliert ist.
Graduiertenkolleg: CircularLIB
Förderung: 10/2021 - 09/2024, Niedersächsisches Ministerium für Wissenschaft und Kultur
Technische Universität Braunschweig
Technische Universität Clausthal
Leibniz Universität Hannover
Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik
Die Demontage von LIB hat sich bisher vor allem auf Batteriesysteme und -module konzentriert. Die Zelldemontage bis auf Elektrodenebene stellt aufgrund der vielfältigen Zelltypen und der geringen Effizienz manueller Methoden eine große Herausforderung dar. Für die Verbesserung der Rezyklatreinheit soll die Demontagetiefe auf die Elektrodenebene ausgeweitet werden. Zur Realisierung dieser Demontagetiefen werden die Batteriezellen aus den Modulen ausgebaut und zunächst in spezieller Atmosphäre bis auf einzelne Elektroden manuell zerlegt. Damit werden notwendige Schritte zur Zerlegung abgeleitet und Herausforderungen identifiziert. Anschließend ist das Ziel, einen Demontageprozess für Zellen bis auf Elektrodenebene mit einem hohen Automatisierungsgrad zu entwickeln.
Im Rahmen des Projekts soll die Demontagetiefe von LIB bis auf die Elektrodenebene erweitert werden. Dies ermöglicht eine frühere Trennung der Aktivmaterialien als bei zerkleinernden Verfahren, womit die Reinheit des Rezyklats verbessert werden kann. Für unterschiedliche Zellen hinsichtlich Parameter wie Geometrie, Zellzustand etc. werden die Demontageprozesse methodisch entwickelt. Final soll ein automatisierter Demontageprozess für das direkte Recycling anhand der gewonnenen Erkenntnisse abgeleitet und umgesetzt werden.
Die Demontage von LIB hat sich bisher vor allem auf Batteriesysteme und -module konzentriert. Die Zelldemontage bis auf Elektrodenebene stellt aufgrund der vielfältigen Zelltypen und der geringen Effizienz manueller Methoden eine große Herausforderung dar. Für die Verbesserung der Rezyklatreinheit soll die Demontagetiefe auf die Elektrodenebene ausgeweitet werden. Zur Realisierung dieser Demontagetiefen werden die Batteriezellen aus den Modulen ausgebaut und zunächst in spezieller Atmosphäre bis auf einzelne Elektroden manuell zerlegt. Damit werden notwendige Schritte zur Zerlegung abgeleitet und Herausforderungen identifiziert. Anschließend ist das Ziel, einen Demontageprozess für Zellen bis auf Elektrodenebene mit einem hohen Automatisierungsgrad zu entwickeln.
Die Bestimmung der optimalen Recyclingstrategie und der entsprechenden Demontagetiefe basiert auf theoretischen Konzeptualisierungen und Laborexperimenten. Für die Konzeptentwicklung erfolgt eine systematische Vorgehensweise mit z. B. morphologischen Analysen zur Konzeptentwicklung für die Zellöffnung. Weiterhin werden experimentelle Untersuchungen bzgl. des Demontageprozesses in einer kollaborativen Mensch-Roboter-Workstation ausgeführt. Verschiedene Zelltypen (Pouchzellen und prismatische Zellen) werden demontiert und Parameter wie z. B. Demontagezeit und Automatisierungsgrad untersucht. Basierend darauf wird ein automatisierter Demontageprozess für Batteriezellen bis auf Elektrodenebene in einem industriell relevanten Maßstab konzipiert sowie die Übertragbarkeit der im Labor verwendeten Prozesse auf diesen Maßstab untersucht.