Kreisläufe in der Elektromobilität schließen

15.3.2019

Autor: Dr. Andreas Bittner, Leiter New Business Development des Fraunhofer ISC

Batteriezellen und aufkonzentrierte Materialfraktionen
© Fraunhofer-Projektgruppe IWKS

Abb. 1: Batteriezellen vom Typ 18650 und aufkonzentrierte Materialfraktionen: Metalle, Kunststoffe und Schwarzmasse.

Strategische Bedeutung

Wiederaufladbare Batterien werden in den unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt und gewinnen dort zunehmend an Bedeutung. Neben der Nutzung für Mobilgeräte, Elektrowerkzeuge und stationäre Energiespeicher sind vor allem die Anwendungen in der Elektromobilität zu nennen. Großformatige Traktionsbatterien aus leistungsstarken Lithium-Ionen-Zellen sind das Herzstück moderner E-Fahrzeuge und somit eine Schlüsseltechnologie für die Europäische Automobilindustrie.

Nach aktueller Prognose der Nationalen Plattform Zukunft der Mobilität (früher Nationale Plattform Elektromobilität) werden voraussichtlich bis 2022 alleine in Deutschland ca. eine Million Elektroautos zugelassen sein. Bis zum Jahr 2025, so schätzen die Experten, wird der Bestand auf 2 bis 3 Millionen Elektrofahrzeuge in Deutschland ansteigen. Die Lebensdauer ihrer Batterien ist für die automobile Anwendung begrenzt und reicht je nach Typ und Beanspruchung von wenigen Jahren bis hin zu 10 Jahren oder länger. Somit ist in nächster Zeit mit einem stetig wachsenden Aufkommen an ausgedienten Traktionsbatterien zu rechnen.

Diese Batterien enthalten wertvolle und teilweise auch versorgungskritische Ressourcen wie Kobalt, Lithium, Nickel und Kupfer, die zumeist aus Ländern außerhalb der EU importiert werden müssen. Zudem enthalten sie Stoffe, die unsere Umwelt und Gesundheit bei unsachgemäßer Entsorgung gefährden würden. Somit ist ein effektives Batterierecycling sowohl aus ökonomischen als auch aus ökologischen Gesichtspunkten von großer Relevanz.

Um die E-Mobilität nachhaltig zu gestalten, wichtige Ressourcen für die Schlüsseltechnologie Lithium-Ionen-Batterien zu sichern und unnötigen Umweltbelastungen vorzubeugen, müssen rechtzeitig innovative Recyclingverfahren für die industrielle Massenanwendung weiterentwickelt und geschlossene Wertstoffkreisläufe für Batteriematerialien etabliert werden. Dieser Aufgabe stellt sich das Fraunhofer ISC mit seiner Projektgruppe IWKS.

 

Herausforderungen

Für das Recycling von Traktionsbatterien werden bereits heute verschiedene kommerzielle Recyclingverfahren erfolgreich eingesetzt. Diese umfassen meist eine Kombination aus mechanischen sowie hydro- und/oder pyrometallurgischen Verfahrensschritten und ermöglichen so eine stoffliche und energetische Verwertung von Batteriematerialen. In Bezug auf Nachhaltigkeit, Umweltverträglichkeit, Effizienz und Skalierbarkeit lassen sich für das Batterierecycling allerdings Verbesserungspotentiale identifizieren. Aus Sicht der Fraunhofer-Projektgruppe IWKS stellen sich insbesondere folgende Herausforderungen:

  • Auslegung von Verfahren und Logistik auf die erwarteten Rücklaufmengen aus dem E-Mobilitätsbereich, insbesondere bei der Demontage
  • Reduktion von Energieverbrauch und CO2-Ausstoß sowie Einsparung von Prozessmitteln und Kosten beim Batterierecycling
  • Erhöhung der Recyclingeffizienz nach EU-Definition, das heißt Erhöhung des Anteils an stofflich wiederverwerteten Batteriematerialien
  • Rückführung von Recyclingmaterial in die Produktion neuer Batteriezellen bzw. Schaffung geschlossener Stoffkreisläufe
  • Sicherer Umgang mit den Batteriesystemen, insbesondere im Falle von Beschädigungen – beispielsweise bei Batterien aus Unfallfahrzeugen
  • Flexibilität bezüglich verschiedener Systembauformen, Zelltypen und Materialzusammensetzungen – auch unter Berücksichtigung neuer Technologien wie der Festkörperbatterie
  • Etablierung von „Re-Use“-Konzepten für gebrauchte Batteriesysteme, -module, -zellen und -komponenten unter Berücksichtigung der Produktgewährleistungs-Anforderungen.

 

Lösungsansätze

Um diese Herausforderungen zu bewältigen und zukunftsweisende Recyclingverfahren rechtzeitig zu etablieren sind verstärkte und gemeinschaftliche Entwicklungsarbeiten erforderlich. Hierfür müssen Partner entlang der gesamten Wertschöpfungskette einbezogen werden, d. h. Materialhersteller, Zell- und Systemfertiger, Anlagenbauer, Autobauer sowie Logistik- und Recyclingunternehmen. Im Rahmen verschiedener nationaler und europäischer Kooperationen arbeiten die Forscher des Fraunhofer ISC an neuen Konzepten und innovativen Technologien. Die wichtigsten Lösungsansätze des Instituts und seiner Partner sind im Folgenden beschrieben:

  • Generierung von Rücklaufströmen aus möglichst sortenreinen und damit effizienter zu recycelnden Altprodukten durch geeignete Rücknahme- und Logistikkonzepte
  • Etablierung sicherer, zerstörungsfreier und kostengünstiger Verfahren zur Detektion von Lade- und Alterungszuständen der Batteriezellen
  • Digitalisierung und weitestgehende Automatisierung der Batteriedemontage sowie Entwicklung alternativer Demontagelösungen durch innovative Zerkleinerungstechnologien
  • Materialselektive Fragmentierung von Batteriezellen in flüssigem Medium zur Passivierung von Schadstoffen und zur effizienten Auftrennung von Materialverbünden
  • Anreicherung von Wertstoffen – insbesondere der Aktivmaterialien – durch innovative Trenn- und Sortierverfahren in der ersten Stufe des Recyclings (Abb. 1)
  • Rückgewinnung und Aufbereitung von Funktionsmaterialien (bereits synthetisierte Verbindungen) statt metallurgischer Auftrennung in einzelne Elemente
  • „Design for Recycling“ und „Design for Disassembly“ der Batterien durch Vereinheitlichung der Bauformen, leicht trennbare Verbindungen sowie Etikettierungen und Marker