Forschung für ein effizientes Recycling von Hochleistungsbatterien

Im Rahmen der Strategie zur Mobilität der Zukunft setzt die Bundesregierung auf neue,
umweltfreundlichere Technologien und Kraftstoffe. Dadurch wird die Elektromobilität auch in der Automobilindustrie noch weiter an Bedeutung gewinnen. Eine wichtige Säule stellt dabei die Batterieforschung dar. Neben der Batterieherstellung mit Fokus auf Erhöhung der Reichweite und Sicherheit ist aber auch deren fachgerechte Entsorgung ein zentrales Thema. Nicht zuletzt, da ein effizientes Recycling von Altbatterien auch eine Form der Sicherung von kritischen Wertstoffen für die deutsche Automobilindustrie darstellt.

Die Fraunhofer-Projektgruppe für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS in Alzenau
und Hanau forscht gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung an effizienten Lösungen.
Denn die Zahl der benötigten Energiespeicher und Hochleistungsbatterien wird weiter zunehmen: Nach
aktuellen Schätzungen werden bis 2020 weltweit über 100.000 Tonnen Altbatterien aus Elektroautos
anfallen.

Aktuelle Recyclingprozesse verbessern und neue etablieren
Batterien und Akkus werden aktuell bereits als Stoffstrom gesondert erfasst und entsorgt. Bei den
heutigen Recyclingverfahren von Batterien können die enthaltenen wertvollen Metalle wie Kobalt oder
Nickel über ein Aufschmelzen bereits weitestgehend zurückgewonnen werden. Jedoch sind derartige Verfahren energieintensiv und die Verluste bestimmter Wertstoffe nach wie vor hoch.

Die Forscher der Fraunhofer-Projektgruppe IWKS arbeiten daher an Lösungen, bestehende Verfahren
zu optimieren und neue zu etablieren, die das Recycling von Li-basierten Altbatterien und -akkumulatoren nicht nur effizienter, sondern auch umweltfreundlicher machen. Ein vielversprechender Forschungsansatz ist dabei, die Batterien zu zerlegen, anstatt sie komplett aufzuschmelzen. Mit innovativen Verfahren wie der Elektrohydraulischen Zerkleinerung (EHZ) erzeugen die Forscher eine gezielte Auftrennung der Batteriezellen an Schwachstellen wie Verklebungen, Material-Schnittstellen oder Sollbruchstellen, um einzelne Bestandteile leichter abtrennen zu können. Dabei wird mittels einer elektrischen Entladung eine Schockwelle durch ein Medium – üblicherweise Wasser – geleitet und die Batterien damit mechanisch beansprucht. Die Materialgrenzen werden geschwächt und eine materialspezifische Trennung somit ermöglicht.

Im Gegensatz zum Schreddern oder Einschmelzen werden die Komponenten nicht undefiniert zerstört,
sondern eine Rückgewinnung der Rohstoffe in einzelnen Fraktionen, wie beispielsweise Aktivmaterial,
ermöglicht. Die Reinheit der Wertstoffe ist hier bereits relativ hoch, was eine erneute Zuführung in
den Stoffkreislauf zur Herstellung neuer Batterien ermöglicht. Ein Forschungskonsortium des Projekts
NewBat, das von der Projektgruppe geleitet wird, konnte im Labormaßstab bereits erfolgreich
Batterien aus Produktionsausschüssen herstellen, die bis zu 75 % des ursprünglichen Wirkungsgrades
aufweisen – ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu mehr Ressourceneffizienz in der Batterietechnik.
Mittlerweile laufen erste vielversprechende Versuche mit Industriepartnern, das Verfahren über eine
Beimischung in der Produktion auch im Industriemaßstab umzusetzen. So können kritische Rohstoffe
wie Lithium, Nickel, Kobalt und Mangan ohne große Verluste recycelt werden. Ein weiterer Ansatz zur
Optimierung der Kapazität der aus recyceltem Material hergestellten Batterien ist die weiterführende
Aufreinigung des Materials.

Ein Kreislauf für Li-Ionen-Batterien aus Elektroautos
Für besonders leistungsstarke Akkus wie Lithium-Ionen-Batterien aus Elektroautos arbeitet die Fraunhofer-Projektgruppe IWKS ebenfalls an effizienten Verfahren zur Rohstoffrückgewinnung. Mit dem
Anfang des Jahres gestarteten Forschungsprojekt „Automotive Battery Recycling 2020“ beteiligt sich
die Projektgruppe an der Erarbeitung einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft. Gemeinsam mit nationalen
und internationalen Partnern aus Industrie und Forschung werden unter anderem Konzepte für eine
verbesserte Sammlung der Altbatterien, automatisierte Verfahren zur Demontage sowie Wiederverwendung der Batteriekomponenten entwickelt. Ziel des Projekts ist es, den Wertstoffkreislauf für Autobatterien aus Elektroautos zu schließen und auf die Anwendung in der Industrie zu übertragen.
Die größten Herausforderungen liegen momentan in der Vielzahl der verwendeten Batterietypen als
auch in besonderen Sicherheitsmaßnahmen bei Lagerung und Transport. Das Forschungskonsortium
erarbeitet hier Lösungen unter Einbeziehung aller Akteure wie Hersteller, Anwender und Recycler.
Ebenfalls Teil des Projekts ist eine Optimierung der Batterien im Sinne eines Design for Recycling, die
eine schnellere automatisierte Zerlegung sowie höhere Sicherheitsstandards zum Ziel hat. Mit
ihrer Forschungsarbeit stellt die Projektgruppe eine wichtige Säule in der Ressourcensicherung für die
Industrie am Untermain und darüber hinaus dar – insbesondere im Hinblick auf die zunehmende
Verknappung wichtiger Rohstoffe und die Abhängigkeit Europas von Importen dieser Materialien aus
Drittländern.

Über die Fraunhofer-Projektgruppe IWKS
Die Fraunhofer-Projektgruppe für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS mit Standorten in
Alzenau und Hanau wurde im Jahr 2011 von der Fraunhofer-Gesellschaft unter dem Dach des Fraunhofer
ISC gegründet. In den Geschäftsbereichen Ressourcenstrategie, Recycling und Wertstoffkreisläufe
sowie Substitution wird daran gearbeitet, die Rohstoffversorgung unserer Industrie langfristig
zu sichern und damit eine führende Position in der Hochtechnologie auch zukünftig zu ermöglichen.
Dafür werden zusammen mit Industriepartnern innovative Trenn-, Sortier-, Aufbereitungs- und Substitutionsmöglichkeiten erforscht.

Jennifer Oborny
Fraunhofer-Projektgruppe IWKS
Brentanostraße 2a
63755 Alzenau
06023 32039-803
Jennifer.oborny@isc.fraunhofer.de
www.iwks.fraunhofer.de

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