ReDesign – Entwicklung von Gestaltungsrichtlinien für die recyclinggerechte Konstruktion von Batteriesystemen im Kontext der Kreislaufwirtschaft

Aktuell entwickelte und gefertigte Lithium-Ionen-Batteriesysteme werden speziell hinsichtlich Leistung, Energiedichte und Kosten optimiert. Aspekte eines kreislauf- bzw. recyclinggerechten Designs von Zellen, Modulen und Systemen werden bislang nur nachgeordnet betrachtet. Dies hat in der Vergangenheit dazu geführt, dass Batteriesysteme am Ende ihres ersten Lebenszyklus in der Regel als ganzes System dem Recyclingprozess geführt werden, da eine Entnahme einzelner Komponenten aus dem Batteriesystem mit viel technischem und organisatorischen Aufwand verbunden ist. Auch innerhalb des Recyclingprozesses verursacht das konstruktive und materialtechnische Design von Batteriesystemen Aufwand, der sich durch eine kreislauforientierte Konstruktion nach den Prinzipien des Design-for-Recycling reduzieren lässt.

Diese Fragestellungen führen zu komplexen, multidimensionalen Anforderungen für die Produktgestaltung von Batteriesystemen, in denen eine Vielzahl von Zielkonflikten vorherrscht. Die systematische Auflösung der Zielkonflikte bedingt eine ökologische und ökonomische Bewertung der Produkt- und Stoffströme. Unter der Berücksichtigung von strukturellen und prozeduralen Charakteristika von Batteriesystemen, -modulen und -komponenten und den möglichen Wegen der Produkt- und Stoffströme müssen Lösungsansätze für die Gestaltung von Batteriesystemen erarbeitet und in Konzepte verfeinert werden, um Verluste im Produkt-und Stoffkreislauf („Open Loops“) zu minimieren. Dabei sind hinsichtlich möglicher Zielkonflikte im Besonderen Applikationsanforderungen und die Verfügbarkeit geeigneter Fertigungsverfahren als Senke von Produktund Stoffkreisläufen zu berücksichtigen. Aus dieser Motivation und den damit einhergehenden Fragestellungen leiten sich die Ziele ab, an denen das Vorhaben ReDesign ansetzt. Das übergeordnete Ziel des Vorhabens ist die Steigerung der Kreislauffähigkeit von Batteriesystemen, um damit „open Loops“ im Materialkreislauf zu vermeiden und die negativen Umweltwirkungen von Batterien zu reduzieren.

Zusammensetzung der Mengenanteile der Batteriebestandteile
© Marisol Glasserman/TU Braunschweig

Erreicht werden soll dies durch die systematische Entwicklung von Gestaltungsrichtlinien für das kreislauforientierte Design und die recyclinggerechte Konstruktion von Batteriesystemen, um die Voraussetzungen für einen geschlossenen, effizienten und rohstoffverlustarmen Batteriesystemlebenszyklus zu schaffen. Im ersten Schritt erfolgt eine Systemdefinition und eine Ableitung von Optimierungszielen für die Kreislaufwirtschaft. Auf Basis von Demontageversuchen und einer Analyse des Technikstands erfolgt eine umfassende Analyse und Beschreibung konstruktiver Gestaltungsmerkmale aktueller Li-Lionen Batteriesysteme. Daran schließt sich eine ganzheitliche Analyse der Kreislaufführungsoptionen für Batteriesysteme während bzw. nach dem Ende des Lebenszyklus. Eine Tool-Box für die Gestaltung recyclinggerechter Batteriesystem wird entwickelt, mittels derer die Aspekte der Kreislaufführung mit konstruktiven Lösungen verknüpft werden. Dazu sollen einzelne Werkzeuge entwickelt und in einer Tool-Box gebündelt werden, welche die Ermittlung von Designoptionen mit deren ökologischer Bewertung zusammenbringt. Die Ergebnisse der Tool-Box fließen in die Entwicklung von zwei Konzept-Demonstratoren für Batteriezellen ein, die die Umsetzung von recyclinggerechtem Design anhand einer Grünen konventionellen Lithium-Batterie und anhand einer Grünen Festkörperbatterie illustrieren. Daran schließt sich die Konzeption eines virtuellen Batteriesystem-Demonstrators an, anhand dessen Lösungsansätze, Verbesserungen und die Anwendung der entwickelten Werkzeuge visualisiert werden. Schließlich erfolgt eine Identifikation, Analyse und Bewertung von Geschäftsmodellen zur Stützung der Kreislaufführung von Batteriesystemen und eine Definition von Handlungsempfehlungen für das recyclinggerechte Design von Batterien als Basis für den Ergebnistransfer in die Industrie sowie für regulatorische Organisationen.