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Design for Recycling

Die programmierte Unsterblichkeit der Lithium-Ionen-Batterie

16. Januar 2023, 14:34 Uhr | Kathrin Veigel

Elektroden von Lithium-Ionen-Batterien werden durch das Verbinden von Pulvern hergestellt.

Im Projekt AdRecBat betrachten Forscher die Wiederverwertung von Lithium-Ionen-Batterien nicht erst zu deren Lebensende, sondern bereits zum Zeitpunkt des Produktdesigns. Ziel ist es, die Batteriekomponenten so gegeneinander abzugrenzen, dass eine sortenreine Wiederverwertung möglich wird.

Die Welt erlebt derzeit einen gigantischen Boom der Lithium-Ionen-Batterie-Technologie. Für die kommenden zehn Jahre sind nach Aussage des europäischen Mobilitätsverbands »Transport and Environment« mehr als 40 Projekte für Batterie-Fabriken in Europa angekündigt.

Im Sinne der Nachhaltigkeit der Elektromobilität muss damit einhergehend die Forschung an effizientem Recycling der Batteriematerialien und ihre quasi vollständige Rückführung in den Rohstoffkreislauf schnellstmöglich vorangetrieben werden. Dabei geht es nicht nur um die energiespeichernden Komponenten selbst, sondern auch um Elektroden, Verkapselung und Gehäuse.

Im Projekt AdRecBat (Additiv-basiertes Design for Recycling von Lithium-Ionen-Batterien) bündeln Forscherteams des INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien, des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung (ISC) und der Friedrich-Alexander-Universität (FAU) ihre Expertise. Ihr Ansatz ist es, Lithium-Ionen-Batterien auf mehreren Ebenen so zu gestalten, dass sich die verwendeten Materialien am Ende des Batterielebens problemlos voneinander trennen und separat wiederverwerten lassen. Dazu untersuchen die Partner recyclingrelevante Schlüsselstellen, an denen die Materialien während der Lebensdauer der Batterien sicher zusammenhalten, sich an deren Lebensende aber leicht voneinander lösen lassen.

Recyclingrelevante Stellen sind etwa die Siegelnaht der Pouchfolie, die Schnittstelle zwischen Stromabnehmer und Elektrode und die Grenzfläche zwischen Aktivmaterial und Kathode. Ist die Batterie verbraucht, werden, je nach den Eigenschaften der verwendeten Triggermaterialien, Trennreaktionen gezielt durch Veränderungen des äußeren Magnetfeldes, der Temperatur oder des pH-Wertes ausgelöst. Die nun vorliegenden Einzelkomponenten können dem Herstellungskreislauf dann wieder zugeführt werden.

»Die Trigger-Additive sollen flexibel und nach Möglichkeit unabhängig vom Batterietyp integrierbar sein, so dass unterschiedliche Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien ihre Produkte mit den Additiven ausrüsten und deren Recyclability verbessern können«, erläutert Professor Tobias Kraus, Projektleiter AdRecBat am INM. Voraussetzung für den Erfolg des Verfahrens sei, dass die Additive in der Batterie quasi unsichtbar blieben und deren Funktionalität in keinerlei Hinsicht beeinträchtigten.

Ziel sei es, die Effizienz und damit die Wirtschaftlichkeit des Recyclings im Vergleich zu existierenden pyro- und hydrometallurgischen Verfahren zu erhöhen, bei denen die ausrangierten Batterien ohne Zwischenschritte im Ganzen geschreddert werden.