Neun Forschungspartner entwickeln und vergleichen erstmals Verfahren zur Wiedergewinnung des Aktivmaterials Lithiumeisenphosphat (LFP) – sowohl im Direktrecycling des gesamten Kathodenmaterials als auch zur Wiederverwertung seiner einzelnen Rohstoffe. Ziel des Forschungsprojekts DiLiRec sind wirtschaftlich attraktive Prozesse für den erneuten Einsatz der nachhaltigen Zellchemie sowie ihrer Bestandteile in der Batterieproduktion. Unter der Leitung von Prof. Urs Peuker untersucht ein Team des Instituts für Mechanische Verfahrenstechnik und Aufbereitungstechnik der TU Bergakademie Freiberg einen zentralen Aspekt der Forschungsfragestellungen des Gesamtprojektes.
Herr Professor Peuker, DiLiRec ist ein Forschungsprojekt von neun Partnern. Welche Rolle hat die TU Bergakademie Freiberg in diesem Verbund?
Unsere Aufgabe ist es, die Beschichtungsmaterialien, insbesondere der Katode der Batterie in möglichst reiner Form zu gewinnen. Dieses Material ist dann der Ausgangspunkt, um es aufzuarbeiten und wieder in neue Batterien einzubringen. Dazu erhalten wir von den Projektpartnern demontierte Batteriekomponenten, so genannte Elektrodenwickel. Diese bestehen aus zwei übereinander gelegten und unterschiedlich beschichteten Metallfolien, die, um in die Batteriezelle zu passen, aufgerollt werden. Deshalb sind viele Batterien übrigens Zylinder. Unsere Aufgabe besteht nun darin, die Beschichtung einer der Folien mit einer möglichst hohen Reinheit und Ausbeute zu gewinnen. Das Zielmaterial ist Eisenphosphat, das als Kathode der Batterie dient und im entladenen Zustand, die Lithiumionen speichert. Das Eisenphosphat kann man sich als sehr feine Partikel vorstellen, die eine charakteristische Länge von nur 1 Mikrometer haben; sie sind damit deutlich feiner als andere Batteriematerialien.
Was macht das Recycling von Lithiumionen-Batterien gerade jetzt relevant?
Das Recycling vom Lithiumionenbatterien ist in mehrerer Hinsicht wichtig und wirtschaftlich, strategisch, regulatorisch, technologisch und ökologisch erforderlich. Zum einen sind Batteriematerialien nicht vollständig unbedenklich. Somit hat die nationale und die europäische Gesetzgebung einen Rahmen geschaffen, wie diese Materialien sicher zu behandeln sind. Darüber hinaus zählen, verschiedene chemische Elemente, die in Batterien enthalten sind, zu so genannten kritischen Rohstoffen. Kritische Rohstoffe sind Materialien, die sowohl eine hohe, wirtschaftliche Relevanz als auch eine eingeschränkte Verfügbarkeit aufweisen. Die eingeschränkte Verfügbarkeit beziehungsweise das Versorgungrisiko kann durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden zu denen nicht nur technologische, sondern auch politische Faktoren zählen. Ein nachhaltiges Batterierecycling schont unsere Umwelt, indem die Batteriematerialien nicht freigesetzt werden, und zum anderen erleichtert es uns den Zugang zu kritischen Rohstoffen, da diese im Kreislauf gehalten werden.
Warum wird Lithiumeisenphosphat aus Lithium-Eisenphosphat-Batterien bisher noch nicht aus alten Batterien wiedergewonnen?
Leider ist es nicht der Fall, dass es wirtschaftlich attraktiv ist, Batteriezellen mit Lithiumeisenphosphat zu recyceln. Im Vergleich zu Lithiumionenbatterien mit einer Zellchemie auf Basis von Nickel, Kobalt und Mangan ist die hier verwendete Zellchemie auf Basis von Eisen und Phosphor deutlich günstiger und damit weniger werthaltig für das Geschäftsmodell des Recyclings. Aus regulatorischen und ökologischen Gründen ist ein Recycling der Lithium-Eisenphosphat-Batterien natürlich trotzdem erforderlich. Zum aktuellen Zeitpunkt gibt es aber weniger Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen für diese Materialien, so dass wir in diesem Projekt auch eine gewisse Wissenslücke schließen wollen.
Das Konzept des direkten Recyclings könnte die Wirtschaftlichkeitslücke gegebenenfalls schließen. Denn die funktionalen Materialien der Batterie werden nicht in ihre chemischen Bestandteile zerlegt, sondern als Funktionsmaterial selbst chemisch behandelt, so dass sie direkt wieder genutzt werden können. Dies reduziert den notwendigen Aufwand signifikant und ermöglicht ein wirtschaftliches Arbeiten.
Eisenphosphatbatterien sind in den vergangenen Jahren insbesondere für günstige Elektrofahrzeuge aber auch als stationäre Speicher, beispielsweise für Photovoltaik-Anlagen, sehr attraktiv geworden. Darum rechnen wir mit einem höheren Anteil dieses Typs an Batterien in Recyclingstoffströmen. Somit freuen wir uns auf die Herausforderung und hoffen, gemeinsam mit den Projektpartnern interessante Erkenntnisse zu erarbeiten und hoffentlich zu einer guten, technologischen Lösung zu kommen.
Weitere Infos zum Projekt
Das Forschungsprojekt DiLiRec hat ein Gesamtvolumen von 4,7 Millionen Euro. Es wird im Rahmen der Fördermaßnahme „Effizienzsteigerung und Nutzung von Synergieeffekten in der Batteriezellfertigung für die Elektromobilität (SynBatt)“ durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit rund 2,7 Millionen Euro unterstützt (Förderkennzeichen: 03XP0549).