LiBinfinity und Kolibri: Zwei neue Forschungsvorhaben entwickeln Recyclingkonzepte für Lithium-Ionen-Batterien

Die in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Materialien lassen sich zu über 90 Prozent stofflich wiederverwerten. Doch das nun gestartete Projekt LiBinfinity geht darüber weit hinaus und zielt auf ein ganzheitliches Recyclingkonzept für Lithium-Ionen-Batterien. „Vor allem bei der Elektrifizierung von Lkws benötigen die Batterien so viel Material, dass ein Einsatz der Rezyklate für andere Anwendungen nicht ausreichend ist“, sagt Helmut Ehrenberg, Leiter des Instituts für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme (IAM-ESS) des KIT. „Vielmehr bedarf es eines geschlossenen Kreislaufs bei den Batterien selbst. Das bedeutet, die Materialien aus gebrauchten Batterien zur Herstellung neuer Batterien zu verwenden.“

In LiBinfinity erarbeiten Partner aus Forschung und Industrie einen Ansatz, der sich von Logistikkonzepten bis hin zur Reintegration von Rezyklaten in den Lebenszyklus der Batterie erstreckt. Sie entwickeln ein mechanisch-hydrometallurgisches Verfahren, das ohne energieintensive Prozessschritte auskommt und höhere Recyclingquoten ermöglicht. Materialien, die sich nicht mechanisch trennen lassen, werden unter relativ niedrigen Temperaturen mithilfe von Wasser und Chemikalien aufgespalten.

Das KIT übernimmt in LiBinfinity die Aufgabe, die Rezyklate, das heißt die wiedergewonnenen Stoffe, auf ihre Eignung als Ausgangsstoffe für die Herstellung neuer Batterien zu prüfen. „Diese Validierung ist unerlässlich, da Materialien für Batterien hohe Anforderungen erfüllen müssen“, sagt Joachim Binder, Leiter der Forschungsgruppe Synthese und keramische Pulvertechnologie am IAM-ESS. „Vor allem gilt dies für Kathodenmaterialien, die Effizienz, Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Kosten der Batterien wesentlich mitbestimmen.“

Recyclingkonzept: Lithium-Ionen-Batterien mit Elektroden aus Altreifen herstellen

Im Projekt Kolibri arbeitet ein Konsortium aus Forschungseinrichtungen und Industrieunternehmen an neuen Batterien und einem weiteren Recyclingkonzept für Lithium-Ionen-Batterien. Dabei sollen die neuen Batterien vollständig wiederverwertbar sein und recycelte Materialien nutzen. Zudem will man die Batterien nicht nur nachhaltiger herstellen, sondern auch besser gegen thermische Zersetzung wappnen und damit sicherer machen. Aber auch bei der Leistungsfähigkeit soll die neue Batterie punkten und durch Anpassung der Elektrolyte ebenso bei niedrigen Temperaturen viel Leistung abrufen können.

Um diese Ziele zu realisieren, setzen die Forschungsteams bei den Elektroden und den Elektrolyten an. Während sich die Industriepartner den Elektrolyten widmen, optimieren die Forschungseinrichtungen die Elektroden. „Die Anode besteht beispielsweise aus einem hochporösen Kohlenstoff-Aerogel, das am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. im Institut für Werkstoff-Forschung entwickelt wird und aus nachhaltigen Biorohstoffen hergestellt werden soll«, erläutert Christian Kaiser, Leiter der Arbeitsgruppe Aufbereitung und Verwertung am Fraunhofer IBP. Zur Verbesserung der Leitfähigkeit wird dieses Aerogel mit einem vom Fraunhofer IBP aufbereiteten Industrieruß kombiniert. Das Besondere: Die Forschenden nutzen hierbei keinen neu produzierten Industrieruß, sondern gewinnen ihn aus Altreifen.

Üblicherweise ist recyceltes Carbon Black mit metallischen Oxiden und Silikaten verunreinigt – unbehandelt lässt er sich daher nicht wieder in Reifen und noch weniger in Batterien einsetzen. Die Forschenden am Fraunhofer IBP haben jedoch ein Reinigungsverfahren für Carbon Black entwickelt, das es wieder für die Herstellung von Reifen nutzbar macht. Im Projekt Kolibri soll der Reinigungsprozess nun noch weiter optimiert und die erzielte Reinheit so weit erhöht werden, dass sich das „recovered Carbon Black“ auch in den Lithium-Ionen-Batterien einsetzen lässt.

Pilotanlagen geplant

Das Projekt verfolgt die Herstellung der Elektrolyte und der Anode nicht nur im Labormaßstab, sondern soll auf einen Prototypen-Maßstab vorangetrieben werden. Die Planungen für eine dementsprechende Pilotanlage am Fraunhofer IBP sind bereits angelaufen. Ziel ist es, die entwickelte Technologie in Form einer Batterie als Anwendungsbeispiel in einem Laptop oder einem E-Auto zu nutzen. Anschließend sollen alle Komponenten vollständig recycelt werden. Die Erprobung der Zellen findet beim Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. statt.

2.9.2022 | Quelle: KIT, Fraunhofer IBP | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH