ReAktiv – Hocheffizientes Recycling von Li-Ionen Aktivmaterialien aus Rund- und Knopfzellen

Das Projekt »ReAktiv« adressiert einerseits eine deutliche Verbesserung beim Recyclingprozess von Rundzellen und der Aufbereitung der daraus zurückgewonnenen Aktivmaterialien ohne Erzeugung von Schwarzmasse. Außerdem soll die Rückführung der Aktivmaterialien in neue Batteriezellen demonstriert werden. Andererseits wird ein Prozess basierend auf Schwarzmasse aus Knopfzellen überarbeitet und optimiert, sodass auch das enthaltene Lithium-Metall zurückgewonnen werden kann. Rundzellen, die überwiegend aus Produktionsausschuss stammen werden zunächst demontiert und die enthaltenen Anoden und Kathoden sortenrein getrennt. Nach dem Ablösen der Aktivmaterialien von den Elektrodenfolien werden diese in weiteren Schritten gereinigt und ggf. aufbereitet. Die Eigenschaften dieses recycelten Materials sollen vergleichbar mit Frischmaterial sein, was durch den Aufbau neuer Zellen mit einem Rezyklatanteil und deren anschließender Charakterisierung gezeigt werden soll. Begleitend werden die gewonnenen Erkenntnisse mit Hilfe eines Hybridmodells in ein Batteriezellmodell überführt, sodass am Ende des Projektes ein Modell für Rezyklatzellen als Auslegungshilfe vorliegt. Das Fraunhofer ISE erstellt eine ökonomische und ökologische Bewertung der neuen Prozesskette.

Das Projekt ReAktiv setzt sich zum Ziel die Effizienz von Recyclingprozessen für Rund- und Knopfzellen sowie die Kreislauffähigkeit der zurückgewonnenen Aktivmaterialien signifikant zu steigern. Entlang der Prozesskette des Batterierecyclings sollen hierzu im Rahmen des Projekts insgesamt drei Prozessschritte explizit weiterentwickelt und in Demonstratoren bis auf ein Technology Readiness Level (TRL) 7 umgesetzt werden. Erstens soll ein neuartiges Verfahren zur Demontage von Rundzellen entwickelt werden mit Hilfe dessen Batteriezellen automatisiert geöffnet und definiert in ihre Zellbestandteile zerlegt werden können. Gegenüber den heute eingesetzten mechanischen Zerkleinerungsverfahren (z.B. Schreddern) soll hierdurch eine frühzeitige Vermischung der Materialfraktionen umgangen werden. Endprodukt des zu entwickelnden Demontageprozesses sind zerlegte und von organischen Bestandteilen (Elektrolyt und Binder) weitestgehend befreite Elektrodenfolien, getrennt nach Anode und Kathode.

Die zweite Neuentwicklung im Projekt umfasst das mechanische Separieren der Anoden- und Kathodenmaterialien von den entsprechenden Elektrodenfolien sowie deren nachgelagerte hydro-mechanische Aufbereitung. Für die Entwicklung dieses direkten Recyclingverfahrens sind verschiedene mechanische Separationsverfahren zu untersuchen und bzgl. ihrer Effizienz und Skalierbarkeit hin zu bewerten. Die so zurückgewonnenen Anoden- und Kathodenmaterialien sind nachgelagert und unter bestmöglicher Bewahrung von Struktur und mit weitestgehender Wiederherstellung der elektrochemischen Eigenschaften für den Wiedereinsatz in der Produktion von Li-Ionen Zellen über die Beimischung in Anoden- und Kathodenslurries aufzubereiten.

Die dritte Neuentwicklung umfasst die Weiterentwicklung bestehender hydrometallurgischer Verfahren mit dem Ziel die Recyclingeffizienz bei der Rückgewinnung von Lithium auf über 90 % zu steigern. Erreicht werden soll diese Effizienzsteigerung durch eine Li-Selektivlaugung bzw. Erhöhung der Aktivität der Schwarzmasse zu Beginn des Prozesses, welche auch den Säurebedarf für die nachfolgenden Laugungsschritte weiterer Wertmetalle deutlich reduziert.

Die Weiterentwicklung der drei Prozessschritte wird stets durch die entsprechende Material- und Wirtschaftlichkeits-Lebenszyklusuntersuchungen begleitet und bewertet. Das Fraunhofer ISE führt die entsprechenden Bewertungen durch und unterstützt die Partner in ihren Handlungsentscheidungen. Der assoziierte Projektpartner Varta stellt den anderen Partnern die für die Projektarbeiten benötigten Proben an Rundzellen und Material aus dem Produktionsausschuss bzw. die End-of-Life (EoL) Rund- und Knopfzellen zur Verfügung. Der Nachweis über die Einsatzfähigkeit der zurückgewonnenen Aktivmaterialien in neuen Batteriezellen soll über den Aufbau entsprechender Test- und Vollzellen im Labormaßstab erbracht werden. Die hierbei gewonnenen Erkenntnisse fließen kontinuierlich in die Entwicklung der verschiedenen Prozesse zurück. Über die Ergebnisse im Projekt soll erstmalig die technisch-wirtschaftliche Umsetzbarkeit einer Rundzelldemontage, sowie die Kreislauffähigkeit der so direkt zurückgewonnenen Aktivmaterialfraktionen demonstriert werden. Hierfür werden wissenschaftlichen Erkenntnisse gemeinsam mit den Industriepartnern in Prototypen umgesetzt. Die Ergebnisse bieten sowohl Einsatzmöglichkeiten bei der Verwertung und Prozessierung von End-of-Line Produktionsausschuss bei Zellhersteller als auch bei EoL Rund- und Knopfzellen bei Recyclern.