Projektbeschreibung DiRecFM:
Direktes Recycling der LIB-Funktionsmaterialien

Ausgangslage:
Die Initiative “Ressourcenschonende Batteriekreisläufe - mit Circular Economy die Elektromobilität Antreiben” hat das Ziel einer Recyclingquote von 90% für Co, Cu und Ni sowie 85% für Li. Hohe Recyclingquoten sind unumgänglich, da der Markt der Lithium-Ionen-Batterien (LIB) mit seiner stetig steigenden Anzahl an Anwendungen
in den Bereichen Kraftfahrzeugbau, E-Bikes, Handwerk, Heimwerken aber auch Mobiltelefonen und Notebooks voraussichtlich zu einer Verknappung der Rohstoffe führen
wird. Dies hat einen erheblichen Einfluss auf die Entscheidungsprozesse von kleinen und mittelständischen Unternehmen (KMU), welche die Säule des irtschaftsstandortes Baden-Württemberg darstellen.

Ziel:
Das Ziel dieses Vorhabens ist es, technologische Ansätze in Form einer Prozesskette für das direkte Recycling von Aktivmaterialien (LFP und Graphit) zu entwickeln, um das Ökosystem Batterie deutlich zu verbessern. Der Ausgangspunkt sind definierte Kathoden- und Anodenschichten, welche in der Prozesskette bestehend aus Entschichten, Dispergieren, Zentrifugieren, Filtrieren sowie mechanischem und thermischem Entfeuchten aufbereitet werden. Dies erfolgt in enger Zusammenarbeit mit dem projektbegleitenden Ausschuss, welcher sich aus Technologieführern der beschriebenen Einzelschritte aus dem Wirtschaftsstandort Baden-Württemberg zusammensetzt.


Vorgehen:
Die Herstellung definierter Anoden- und Kathodenschichten, mit spezifischen Eigenschaften (Ablöseverhalten und Zusammensetzung) ist der erste Schritt, um den Einfluss des Beschichtungsvorgangs auf das Entschichten der Stromableiterfolie von Anode und Kathode besser zu verstehen und gleichzeitig Vorschläge für das “Design for Recycling” erarbeiten zu können. Da noch kein anlagentechnisches Konzept für das Entschichten vorhanden ist, wird eine Bürstenapparatur gebaut, um Aktivmaterialien von den Stromableiterfolien abzulösen und anschließend eine in wässrige Umgebung zu überführen. Paralell wird ebenfalls das Ablösen in einem Ultraschallbad als alternative Prozessroute betrachtet. Im Gegensatz zur Zerkleinerung der gesamten Batteriezelle hat das separate Entschichten der Anode und Kathode den entscheidenden Vorteil, dass sich die Anzahl der erwünschten Komponenten in der Schwarzmasse deutlich reduziert und sich somit die spätere Fraktionierung anlagentechnisch deutlich vereinfacht. Im Anschluss an das Entschichten ist der nächste Schritt die Dispergierung der Aktivmaterialien und des Leitrußes, um Agglomerate und Binderverbünde möglichst komplett aufbrechen zu können und für den späteren Schritt der Fraktionierung mit Zentrifugen die Ausbeute an Aktivmaterialien deutlich zu steigern. Im Anschluss durchlaufen die getrennten Partikelströme in wässriger Suspension abschließend einen Fest-Flüssig-Trennschritt. Die mechanische Fest-Flüssig-Trennung erfordert im Vergleich zur thermischen Trocknung einen deutlich geringeren Energiebedarf, weshalb die Produkte so weit wie möglich mechanisch zu entwässern sind. Die Charakterisierung der Materialien durch Rasterelektronenmikroskopie (REM) sowie XRD-Messungen erlaubt es Veränderungen der kristallinen Struktur beurteilen zu können. Gleichzeitig ist es das Ziel, aus den recycelten Aktivmaterialien Zellen zu fertigen, umfangreiche Lade- und Entladetests durchzuführen und diese mit Zellen aus Referenzmaterialien zu vergleichen. Bei der Herstellung von industrierelevanten Anoden- und Kathodenschichten soll zudem Bezug auf “Design for Recycling” genommen werden.