Akku-Recycling Rückgewinnen statt schreddern

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Forscher des KIT entwickeln mit der Industrie einen nachhaltigeren Recyclingprozess, um Materialien aus Lithium-Ionen-Akkus wirksamer wiederzuverwerten.

Der Markt für E-Autos wächst rapide und damit der Bedarf an Lithium-Ionen-Akkus (LIB). Auch deren Recycling ist ein wichtiger Baustein im Produktionskreislauf. Aktuelle Verfahren zerlegen die aktiven Akkumaterialien in ihre molekularen Bestandteile – unter hohem Energie- und Chemikalieneinsatz. In einem groß angelegten Verbundprojekt entwickeln daher Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und Partner aus Industrieunternehmen eine vollständige Prozesskette, um gebrauchte Akkus effizienter zu verwerten, in dem sie die aktiven Komponenten funktionserhaltend zurückgewinnen. Das Bundesforschungsministerium fördert das Projekt mit knapp drei Millionen Euro.

Nachhaltige und geschlossene Materialkreisläufe sind gefordert

Die Elektrifizierung der Mobilität ist ein wichtiger Beitrag, um Deutschlands Klimaschutzziele zu erreichen, und sie stellt dadurch einen Megatrend für die Autoindustrie in Deutschland dar. „Der damit verbundene hohe Bedarf an Lithium-Ionen-Akkus erfordert nachhaltige und geschlossene Materialkreisläufe – von den Akkumaterialien über den gesamten Lebenszyklus bis zum Recycling – sowie eine kreislauffähige Produktion von Akkuzellen“, so Dr. Marco Gleiß vom Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik, der das Verbundprojekt „Agile Prozesskette zum direkten Recycling von Lithium-Ionen-Akkus und Regeneration der Aktivmaterialien“ (DiRecReg) auf Seiten des KIT koordiniert. „Indem wir die Wertschöpfungskette schließen, können wir gleichzeitig die Rohstoffabhängigkeit Deutschlands und der Europäischen Union reduzieren“, so Gleiß weiter.

Erhalten statt zerkleinern oder zersetzen

Aktuelle Verfahren zerkleinern die Akkuzellen und lösen die Aktivmaterialien bis auf die Molekülebene auf, um diese später in Form von Metallsalzen aus der Flüssigkeit zu gewinnen. Zwar können so bis zu 90 Prozent der kritischen Elemente, etwa Kobalt, Nickel und Mangan, wiedergewonnen werden, jedoch ist der Bedarf an Energie- und Chemikalien sehr hoch.

Aus den gewonnenen Materialien muss zudem unter großem Energieaufwand und Rohstoffeinsatz Akkumaterial komplett neu hergestellt werden. Neuere, vielversprechende Ansätze für AltAkkus und Produktionsausschüsse basieren auf dem direkten Recycling von Aktivmaterialien. „Dabei werden die Aktivmaterialien nicht mehr vollständig aufgelöst. Stattdessen werden sie in die einzelnen Zellbestandteile zerlegt und dann mechanisch getrennt, um sie möglichst rein zurückzugewinnen“, erklärt Gleiß.

Aktives Rückgewinnen von Akkumaterialien noch in den Kinderschuhen

Bisher hat sich eine solche Prozesskette zum direkten Recycling in der Industrie jedoch nicht durchgesetzt. Noch lässt sich das Materialverhalten des wiedergewonnenen Rezyklats nicht vorhersagen. Außerdem gibt es keine Kriterien und Regeln, um die Einsatzfähigkeit des gealterten Materials zu beurteilen. Darüber hinaus fehlt es derzeit noch an praxisnahen, wirtschaftlichen Lösungen, um die verschiedenen Akkupacks ohne großen Aufwand bis hin zu den einzelnen Bestandteilen zerlegen zu können.

„Diese kritischen Punkte greift unser Verbundvorhaben auf und beschäftigt sich primär mit der Entwicklung einer agilen Prozesskette für das direkte Recycling von Lithium-Ionen-Akkus sowie der Regeneration der so wiedergewonnenen Aktivmaterialien“, so Projektkoordinator Dr. Thomas Dreyer von Weber Ultrasonics. Wichtig sei dabei auch, dass der Prozess variabel auf verschiedene Ausgangsmaterialien der Akkuproduktion wie auch für Produktionsausschüsse zugeschnitten ist und unterschiedliche Akkuformate und Bauarten verarbeiten kann.

„Ziel ist es zudem, die energieintensiven Prozessschritte der zurzeit eingesetzten Recycling-Verfahren zu ersetzen und nachhaltig recycelte, hochwertige Sekundärmaterialien im Sinne einer Kreislaufwirtschaft zu liefern“, so Gleiß.

Drei Millionen Euro für Verbundprojekt mit vier Forschungs- und sieben Industriepartnern

Das Projekt DiRecReg hat eine Laufzeit von drei Jahren und wird vom Bundesforschungsministerium mit 2,95 Millionen Euro gefördert. Das Projektkonsortium unter Federführung der Firma Weber Ultrasonics besteht aus zehn Partnern sowie einem assoziierten Partner. Es umfasst vier Institute des KIT – wbk Institut für Produktionstechnik, Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik, Institut für Angewandte Geowissenschaften – Professur für Geochemie & Lagerstättenkunde und die Arbeitsgruppe Thin Film Technology – sowie sechs industrielle Partner: den Akkuzellhersteller PowerCo SE, den Wertstofftechnologie- und Recyclingkonzern Umicore, den Experten für Greif- und Handhabungstechnik Schunk, die Firma Fibro Läpple Technology als Anlagenintegrator sowie die Anlagenbauer Carl Padberg Zentrifugenbau und Weber UltrasonicsG. Darüber hinaus unterstützt die Firma Siemens aus Steuerungs- und Digitalisierungssicht das Projekt im Rahmen einer assoziierten Partnerschaft.  (tk)

Weitere Informationen beim KIT

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