Lithium-Ionen-Batterien sind eine Schlüsseltechnologie für die Energiewende und Elektromobilität. Die große Verbreitung dieser Energiespeicher führt zu einem hohen Aufkommen an ausgemusterten Batterien und Akkus, die eine wertvolle Rohstoffquelle sind. Aktuell werden für gebrauchte Batterien und Produktionsabfälle aus der Batteriefertigung energieintensive metallurgische Recyclingmethoden eingesetzt. Damit können allerdings nur elementare Metalle zurückgewonnen werden. Die Wertschöpfung beruht deshalb meist nur auf den Metallwerten von beispielsweise Nickel, Cobalt oder Mangan. Wertvoller wäre eine Rückgewinnung der eigentlichen Batteriematerialien, die bereits mit hohem Aufwand aus den Grundelementen hergestellt wurden, beispielsweise hochwertige Lithium-Metalloxide und bisher gar nicht recyclingfähige Kohlenstoffverbindungen. Das würde Energie und Kosten sparen und wertvolle Ressourcen wie Lithium nachhaltig sichern.

Hier setzt das Projekt NEW-BAT an, das mit rund 1,6 Millionen Euro im Rahmen der BMBF-Fördermaßnahme »r⁴- Forschung zur Bereitstellung wirtschaftsstrategischer Rohstoffe« gefördert wird. Unter der Leitung von Andreas Bittner von der Fraunhofer-Projektgruppe für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS arbeiten Wissenschaftler und Ingenieure aus Forschung und Industrie an einem neuen Verfahren, mit dem genau diese wertvollen Batteriematerialien komplett aus den Altbatterien zurückgewonnen und so aufbereitet werden, dass sie direkt wieder in neuen Batterien eingesetzt werden können.

Intelligent zerkleinern statt ziellos zerschreddern

Das Kernstück des neuen Recyclingprozesses ist die elektrohydraulische Zerkleinerung mit Hilfe von Schockwellen. Bei diesem Verfahren wird das zu zerkleinernde Material in ein flüssiges Medium, zum Beispiel Wasser, eingebracht. Über elektrische Entladung werden Schockwellen freigesetzt, die durch das Medium Wasser sehr gleichmäßig an das Material weitergegeben werden.

Damit ist es möglich, Komposite quasi berührungsfrei an den Materialgrenzen aufzuspalten und so eine einfache und schonende Separation der Komponenten zu erreichen. Das Materialgemisch aus den verschiedenen Batteriekomponenten – Kathode, Anode, Elektrolyt, Separator sowie Zell- und Batteriegehäuse – kann danach effizienten Trennverfahren unterzogen werden. Um möglichst reines Batteriematerial zu erhalten, werden Verfahren eingesetzt, die sowohl physikalische Eigenschaften, wie unterschiedliche Korngröße und Dichte, als auch die unterschiedliche chemische Zusammensetzung der Materialien zur Separation nutzen.

Aufbereiten mit funktionellen Beschichtungen

Da insbesondere die Elektrodenmaterialien der Batterien im Lauf der Batterienutzung altern, müssen die Recyclingmaterialien einer genauen Prüfung und Aufbereitung unterzogen werden, um ihre ursprüngliche Qualität wiederherzustellen. Mit speziellen Niedertemperaturverfahren können beim Projektpartner Fraunhofer ISC insbesondere Materialien von Lithium-Ionen-Batterien von unerwünschten Degradationsprodukten an den Oberflächen befreit und Defekte in den Kristallstrukturen behoben werden. Diese Aufbereitung kann mit einer Veredelung in Form einer Kern-Schale-Beschichtung verknüpft werden, die das recycelte Material hinsichtlich der Lebensdauer sowie der Lade- und Entladeeigenschaften deutlich verbessern.

Das Projektteam

Zwei Partner aus der Wissenschaft – die Fraunhofer-Projektgruppe für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS in Alzenau/Hanau als Koordinator und ihr Mutterinstitut, das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC in Würzburg – bringen ihre Expertise auf den Gebieten Recycling, Substitution und Ressourcenstrategien sowie Materialentwicklung und elektrochemische Energiespeicher ein. Vervollständigt wird das Konsortium durch Industriepartner mit gebündelter Anwendungskompetenz aus Recycling, Batterien und Anlagenbau, die Lars Walch GmbH & Co. KG in Baudenbach, die GRS Service GmbH in Hamburg und die ImpulsTec GmbH in Dresden.

Das Verfahren ist besonders energieeffizient, da im Gegensatz zu metallurgischen Prozessen keine hohen Temperaturen benötig werden, und kann für Produktionsausschüsse sowie für Altprodukte eingesetzt werden.