HIF Projekte im GreenBattery Cluster der Forschungsfabrik Batterie
Nachhaltige Unterstützung der Batterieforschung, Aufbau einer Batteriezellproduktion in Deutschland, schnellerer Transfer von Forschungsergebnissen in die Anwendung: Das sind die Ziele des Dachkonzepts "Forschungsfabrik Batterie" des BMBF. Die Ziele werden in vier neuen Batterie-Kompetenzclustern angegangen, die das BMBF mit 100 Millionen Euro fördert. Das Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie (HIF) am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ist mit fünf Projekten am Kompetenzcluster „Recycling & Green Battery“ beteiligt.
Die Steigerung und Optimierung der Batterieproduktion sind eng mit den Klimazielen der EU (Green Deal) verbunden, da Batterien hierbei eine Schlüsselrolle zukommt. Sie sind sowohl als Zwischenspeicher für die Stabilisierung dezentraler Stromnetze als auch für die Umsetzung der Elektromobilität unabdingbar. Aufgrund ihrer großen Energiedichte sind Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) momentan der wichtigste kommerziell verfügbare Batterietyp für diese Anwendungen. Um Umweltauswirkungen soweit wie möglich zu reduzieren, müssen die Nutzungsdauer der Batteriezellen maximiert und die Stoffkreisläufe der Rohstoffe geschlossen werden. Deshalb sind die Forschungsvorhaben praxisorientiert, so dass erfolgsversprechende Lösungsansätze in der Forschungsfertigung Batteriezelle validiert und in die Industrie transferiert werden können.
Material- und Stoffkreisläufe im Batterielebenszyklus schließen
Das Kompetenzcluster „Recycling & Green Battery“, welches mit rund 30 Millionen Euro gefördert wird, schafft die Grundlagen für das nachhaltige Recycling von Batterierohstoffen und liefert so einen wichtigen Beitrag für die Schließung von Stoff- und Materialkreisläufen. Denn zur Energiewende gehört auch die Schaffung einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft, um den Verbrauch natürlicher Ressourcen zu verringern. Das HIF ist in diesem Cluster im Projekt BatMix als Koordinator und in den Projekten DIGISORT, ecoLiga, EarLiMet und HydroLiBRec als Partner vertreten.
BatMix
Den zukünftigen Rohstoffmix für die Batterieproduktion quantitativ bewerten zu können, ist das Anliegen des Projekts BatMix. Momentan werden die meisten in LIBs verwendeten Rohstoffe (Lithium, Kobalt, Nickel, Graphit und Mangan) durch Abbau geogener Rohstoffe gewonnen. Im Sinne der Schonung der natürlichen Ressourcen und maximaler Ressourceneffizienz ist es essentiell, dies so rasch als möglich in einen Rohstoffmix aus geogenen und Recyclingquellen zu überführen. Das rasante Verbrauchswachstum setzt dem Recycling jedoch zur Zeit noch enge Grenzen. Ziel des Projekts ist es deshalb, statistisch belastbare Szenarien für die Verfügbarkeit der kritischen Ausgangsstoffe für die Batterieproduktion Lithium, Kobalt, Nickel, Mangan und Graphit zu erstellen. Für die anfallenden CO₂-Emissionen und Energieverbräuche und ihrer voraussichtlichen Entwicklung bis zum Jahr 2050 werden ebenfalls quantitative Bewertungen vorgenommen. Damit können die größten Effizienzpotentiale am Beginn der Lieferketten identifiziert werden. BatMix liefert somit die wichtigsten Ansatzpunkte für zukünftige Forschungsprojekte zur weiteren Optimierung der „Grünen Batterie“.
DIGISORT
Schematisches CAD-Modell des Multisensorsystems am HZDR-HIF. Auf dem Förderband bewegen sich die Proben, die von mehreren darüber angebrachten, stationären Sensoren gemessen werden. Zwei Hyperspektralkameras sind in orange dargestellt, das mittig dazwischen platzierte RGB-Kamerapaar ist in Schwarz gezeichnet. Vier Beleuchtungseinheiten dienen als Leuchtquellen für die Reflektanzmessungen. Weitere elektronische Bauteile und Anschlüsse sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
Abbildung: HZDR/HIF
Auf dem Weg zur „Grünen Batterie“ ist eine hohe Recyclingquote der Wertstoffe unabdingbar. Diese kann durch verbesserte Trennprozesse im Recyclingstrom erfolgen. Im Projekt DIGISORT wird deshalb an der Digitalisierung mechanischer Trennprozesse im Recycling am Beispiel der Windsichtung von Schreddergut der Lithium-Ionen-Batterien geforscht. Windsichten bezeichnet ein mechanisches Trennverfahren, bei dem Partikel nach den Gesetzen der Schwer- und Fliehkraft in einem Gasstrom getrennt werden. Das HIF steuert seine Expertise im Charakterisieren von Stoffströmen im Recyclingprozess bei. Im Detail wird das HIF charakteristische Parameter des Recyclingstroms wie Partikelgröße, Partikelform, stoffliche Partikeleigenschaften für Eingangs‐ und Produktstrom on-line erfassen. Hierfür werden zerkleinerte und nicht zerkleinerte Bestandteile von Batterien auf einem Förderband durch ein Multisensorsystem erfasst (siehe Abbildung) und analysiert. Die Entwicklung dieser Methoden für einen Partikelstrom und die Zusammenführung der methodenspezifisch erhobenen Daten in Echtzeit ist ein neuartiger Ansatz zur Digitalisierung der Recyclingkette. Zudem wird die Nachhaltigkeit mechanischer Recyclingprozesse erhöht. Die hier angestrebte Entwicklung der kombinierten Messtechnik mit partikeldiskreter Auflösung ist eine beispielhafte Verbindung von Anwendungsfragestellung und Grundlagenforschung, aus der vielversprechende Innovationen hervorgehen können. Die in DIGISORT entwickelte Mess- und Regelungstechnik kann zukünftig entlang der gesamten Recyclingkette zur Qualitätsüberwachung und Datenakquise genutzt werden. Die Anwendung ist darüber hinaus nicht nur auf Recyclingprozesse von Lithium-Ion-Batterien beschränkt, sondern kann an eine Vielzahl anderer Anwendungsfälle angepasst werden.
ecoLiga
Das Recycling und die Resynthese von Kohlenstoffmaterialien aus Lithium-Batterien ist das Ziel des Projekts ecoLiga. Dafür wird die Nachhaltigkeit im Hinblick auf Fertigung und Recyclingfähigkeit von unterschiedlichen Kohlenstoffmaterialien bilanziert. Dies ermöglicht die Empfehlung eines geeigneten Material- und Batteriedesigns zur Erhöhung der Nachhaltigkeit. So können Batteriefertigung und -recycling inhaltlich miteinander verknüpft und Kooperationswege aufgezeigt werden. Anhand von Lithium-Schwefel-Batterien soll gezeigt werden, dass mit einem geeigneten Trennverfahren die Aktivmasse extrahiert werden kann. Aus der Aktivmasse wird mittels Flotationsbehandlung Graphit und Kohlenstoff zurückgewonnen. Das HIF zeichnet sich für die Aufbereitung von Kohlenstoffpartikeln mittels Flotation verantwortlich. Des Weiteren wird eine ganzheitliche Rohstoffrückgewinnung zur Maximierung der Ausbeute durchgeführt und schließlich erfolgt die Aufreinigung des Graphit- und Kohlenstoffmaterials zur Resynthese. Durch die Kombination der Kompetenzen kann so ein Gesamtrecyclingkonzept zur Maximierung von Ausbeute und Reinheit verfolgt werden.
EarLiMet
Im Projekt EarLiMet wird ein in erster Linie hydrometallurgischer Ansatz für das möglichst vollständige Recycling von Lithium-Ionen-Batterien verfolgt. Es wird erwartet, dass mit dem zu entwickelnden hydrometallurgischen Verfahren wesentlich mehr Wertstoffe zurückgewonnen werden können. Da vor allem Lithium bei herkömmlichen Recyclingverfahren weitgehend verloren geht, soll es bereits zu Beginn der Verfahrenskette aus der sogenannten Schwarzmasse zurückgewonnen werden. Dies geschieht durch Anreicherung mit CO zu Lithiumcarbonat, das nachfolgend herausgelöst wird. So sollen 95% des Lithiums in Batteriequalität zurückgewonnen werden. Final erfolgt eine umfassende Stoffstrombilanzierung durch das HIF basierend auf teilweise neuen analytischen Konzepten. Die Analysen von Batterie-Recyclingstoffen sind unabdingbar, um die Recyclingprozesse kontrollieren, verbessern und am Ende die Bilanzen berechnen zu können. Das HIF setzt für die Rohstoffcharakterisierung moderne Techniken wie Elektronenmikroskopie und Röntgenmethoden ein. Außerdem übernimmt das HIF die chemische Charakterisierung der Eingangsstoffströme und koordiniert die analytische Qualitätssicherung, denn nur so kann die Vergleichbarkeit und Repräsentanz der bei den Verbundpartnern, anfallenden Daten gesichert werden. Die gewonnenen Erkenntnisse helfen anschließend, die geeigneten Aufbereitungsmethoden zu wählen. Die Projektergebnisse und hydrometallurgischen Verfahren haben enorme Praxisrelevanz für Recyclingunternehmen, Batteriehersteller und die Umwelt.
HydroLiBRec
Das Projekt HydroLiBRec verknüpft Recycling und Design mit dem Ziel, die technologischen Voraussetzungen zu einem effektiven, wirtschaftlich tragfähigen und umweltschonenden Batterierecycling zu schaffen. Das Projekt umfasst die Demontage des Batteriepacks, die funktionserhaltende Rückgewinnung der Aktivmaterialien durch die chemische Aufbereitung, die anschließende Herstellung von „Recycling-Batteriezellen“ sowie die Erstellung eines digitalen Zwillings dieser und alternativer Prozessrouten. Das HIF übernimmt die Modellierung verschiedener Prozesse und die Erstellung des digitalen Zwillings, der für die Bewertung und Optimierung der unterschiedlichen Prozessrouten bzw. die Ableitung von Designkonzepten zur Batteriearchitektur genutzt wird. Das erzeugte Prozessmodell soll nicht nur alle zentralen Batterierohstoffe, sondern auch assoziierte Materialien/Komponenten (Gehäuse; Leiterplatten); Energie und Wasser; Produkte, Reststoffe und Emissionen enthalten, um die Ökobilanz und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der unterschiedlichen Prozessrouten zu evaluieren. 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.
