HydroLIBRec – Optimierte Prozessketten für hydromechanisches Li-Ionen-Batterie-Recycling

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, die technologischen Voraussetzungen zu einem effektiven, wirtschaftlich tragfähigen, umweltschonenden und funktionserhaltenden Batterierecycling (vollständige und optimierte Prozesskette) zu schaffen, das deutschland- bzw. europaweit die Verfügbarkeit von Lithiumbatterieressourcen gewährleistet. Die Schließung der Materialkreisläufe wird nach der funktions-erhaltenden Rückgewinnung der Aktivmaterialien durch anschließende chemische Aufbereitung und die Herstellung von “Recycling-Batteriezellen“ gewährleistet. Die alternativen Prozessketten sowie die zu vergleichenden Variationen werden modelliert und durch Ökobilanzierung sowie Wirtschaftlichkeitsbetrachtung evaluiert. Dies schließt auch einen Vergleich mit etablierten Verfahren ein und soll aufzeigen, welche Möglichkeiten einer effizienten Kreislaufführung für Batteriematerialien in Deutschland praktisch zur Verfügung stehen.

Die Identifikation möglicher Prozessketten für Li-Ionen-Batterierecycling unter Einbeziehung etablierter industrieller Verfahren und neuer Prozesstechnologie ist ein wichtiger Zwischenschritt. Dabei sollen unterschiedliche Teilprozesse zur Vorbehandlung für den Schockwellenprozess entwickelt und durch Variation der Reihenfolge der Prozessschritte sowie der Prozessparameter optimiert werden. Auch der Schockwellenprozess soll durch einen Vergleich mit anderen Zerkleinerungsmethoden bewertet werden. Die nachfolgende Sortierung der Batteriefragmente zur Separation von Metallen, Kunststoffen und Schwarzmasse findet ebenfalls im Wasserbad statt. In diesem Projekt werden diese Kernprozessschritte in einem digitalen Simulationsmodell abgebildet, sodass (Re)Designs der Batteriezelle schnell abgeleitet werden können. Ein ressourcenschonender Prozess zum direkten Recycling, d.h. zur zyklischen Wiederverwertung von Aktivmaterialien, umfasst eine mechanische Separation des Kathodenmaterials (Aktivmaterialien, Leitruß und Binder) mit entsprechender Aufbereitung, d.h. chemische Regeneration bzw. Anreicherung von Elementen wie Li, Co, Mn oder Ni in den Aktivmaterialkristallstrukturen. Nach Ablösung der Elektrodenschichten und Vorbehandlung (z.B. Ultraschallverfahren, Dispergierung, Nassmahlung) wird das agglomeratfreie Kathodenmaterial als wässrige Suspension einer Dekantierzentrifuge zugeführt und ohne Einsatz weiterer Chemikalien fraktioniert. Die Fraktionierung des Kathodenmaterials wird hierbei stets optimal und flexibel auf Schwankungen u.a. der Zusammensetzung und der Konzentration im Materialzustrom durch agierende Fahrweise geführt. Dieser Recyclingansatz ermöglicht die direkte Wiederverwertung der zurückgewonnenen und ggf. regenerierten Aktivmaterialien in Rezyklatbatterien, was aus ökonomischer und ökologischen Sicht sehr vorteilhaft ist.

Das Projektvorhaben verknüpft Recycling und Design auf Konstruktions- und Materialebene mit dem Ziel, alle Materialien einer Batterie nahezu vollständig wiederzuverwerten und dabei insbesondere die ressourcenkritischen Elektrodenmaterialien dem Wiedereinsatz in neuen Batterien zuzuführen. Von der Demontage des Batteriepacks bis zur Qualifizierung von Aktivmaterialien soll die gesamte Prozesskette entwickelt und optimiert werden. Dabei werden anhand von Beispielbatterien Rückschlüsse auf die Rezyklierbarkeit gezogen, die in eine Modifizierung des Designs im Sinne der Rezyklierbarkeit münden. Durch das Konzept für simulationsbasiertes, recyclingoptimiertes Design wird ein universales Tool bereitgestellt, dass sich auch auf andere Batterien jeglicher Art und Größe anwenden lässt und somit in einem breiten Anwendungsfeld einen effizienten Ressourceneinsatz und -kreislauf ermöglicht.

Dabei ist es ein Alleinstellungsmerkmal dieses Projekts, dass Designkonzepte direkt aus Simulationsergebnissen zur Batteriearchitektur und der zugehörigen Prozesstechnologie abgeleitet werden. Mit den digitalen Modellen ist es möglich, das (Re)Design und die Produkteigenschaften sowie Prozessparameter spezifisch zu analysieren und zu optimieren. Ziel ist eine Optimierung der Prozessparameter und Prozessketten um die Eigenschaften des Schwarzmasse-Rezyklats für den Einsatz in einer Rezyklatbatterie zu qualifizieren (proof-of-concept).