RECYCLING VON LI-IONEN BATTERIEN: SCHNELL, SICHER UND EFFITIENT ENTLADEN

Mit der Verbreitung elektrischer Antriebssysteme in Fahrzeugen werden zunehmend Batteriesysteme produziert und eingesetzt. Traktionsbatterien gelten typischerweise als verschlissen, wenn 70 bis 80 Prozent der ursprünglichen Kapazität unterschritten werden. Zwar können diese Batterien im Rahmen eines »second life« z. B. noch als stationärer Zwischenspeicher für Fotovoltaikanlagen dienen, doch am Ende der Kette steht zwangsläufig das Recycling dieser Zellen.

Die Entwicklung wirtschaftlicher Recyclingverfahren im industriellen Maßstab erfolgt u. a. am Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Aufbereitungstechnik der TU Berg-akademie Freiberg. Dabei werden die Batteriemodule zunächst demontiert, die Einzelzellen entladen und in einem Granulator durch Scheren zerkleinert. Mit der Zerkleinerung gehen Kurz-schlüsse in den Folienverbunden sowie die Freisetzung von Lösungsmittelanteilen des Elektrolyten einher. Um das Risiko einer Explosion oder eines Brandes auf ein zulässiges Maß zu reduzieren, müssen die Zellen vollständig entladen sein.

Allerdings führen die anfänglich hohen Entladeströme in der Zelle zu großen Überspannungsanteilen. Daraus resultiert, dass die Klemmenspannung der Zelle deutlich unter die Leerlaufspannung sinkt, die sich bei Abschaltung des Entladestroms einstellen würde. Das heißt, obgleich die Zelle noch eine signifikante Ladung trägt, erreicht die Klemmenspannung in der letzten Entladephase so kleine Werte, dass der durch den DC/DC-Konverter erzielbare Entladestrom rasch abfällt.

Untersucht wurde daher eine aktive Entladung mit einer gesteuerten Stromquelle, bei der in der letzten Entladephase negative Klemmenspannungen an der Zelle entstehen. Mit dieser Vorgehensweise wird unter Beachtung sicherheits-relevanter Beschränkungen für den Strom und die Temperatur der Zelle die schnellstmögliche Entladung erreicht. Allerdings kann dann der entladene Zustand nicht mehr allein aus dem aktuellen Strom- und Spannungsmesswert ermittelt werden, sondern muss durch zelltypabhängige Bewertungskriterien der Signalverläufe analysiert werden

Entladekonzepte:
Angesichts der Anforderung an einen hohen Durchsatz der Recyclinganlage ist bei der Zellentladung ein schneller Ladungsausgleich anzustreben, wobei aus Sicherheitsgründen zelltypabhängige Temperatur und Stromgrenzen einzuhalten sind. Die in einfachen Entladeschaltungen angewendete passive Entladung mit einer ohmschen Last hat den Nachteil, dass die sinkende Zellspannung einen sinkenden Entladestrom und in der Praxis damit eine lange Entladedauer zur Folge hat. Eine aktive Entladung über DC/DC-Boost-Konverter ermöglicht demgegenüber einen gleichbleibend hohen Entladestrom bis hin zu Klemmenspannungen von unter einem Volt sowie die Rückspeisung der Energie in das Netz bzw. die Nutzung zur Eigenversorgung der Anlage.

Prototypische Realisierung:
In einem prototypischen Aufbau der leistungselektronischen Komponenten einschließlich der Steuerungs- und Überwachungseinheit kann das Konzept der stromgesteuerten Entladung hinsichtlich der schnellen und sicheren Entladung einer Einzelzelle unter eine vorgegebene Restladung validiert werden. Zusätzlich lässt sich mit diesem Aufbau die Entladung von ganzen Batteriemodulen, bestehend aus in Reihe geschalteten Einzelzellen, realisieren. Die Modulentladung hat den Vorteil, dass bereits vor der Demontage des Batteriemoduls ein sicherer Zustand hergestellt ist und sich die Sicherheits-vorkehrungen damit vereinfachen. Das entwickelte Entlade-konzept soll im Fortgang der Arbeiten für die Integration in die Recyclinganlage der TU Bergakademie Freiberg vervollkommnet werden.