Im Rahmen der „Forschungsfabrik Batterie“ fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit insgesamt 100 Millionen Euro vier Batterie-Kompetenzcluster. Die TU Bergakademie Freiberg ist mit drei Forschungsprojekten beteiligt und untersucht, gemeinsam mit Partnern, neue Wege zur Wiederverwertung von Wertmetallen aus verschiedenen Batterietypen.
Im Cluster „Recycling und grüne Batterie“ (GreenBatt) koordiniert die TU Bergakademie Freiberg insgesamt zwei Verbund-Forschungsprojekte, die unter anderem mit dem Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie (HIF) am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und dem Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) durchgeführt werden.
Mechanisches Recycling fit für die Digitalisierung machen
Am Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Aufbereitungstechnik (MVTAT) will ein Team um Prof. Dr. Urs Peuker im Projekt „Digisort“ in den kommenden drei Jahren zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) erstmals einen digitalen Zwilling eines mechanischen Recyclingschritts für Batterien erstellen.
Ziel der Forschenden ist es, Aluminium- und Kupferfolien aus der Batterie-Beschichtung für eine Wiederverwendung zu sortieren und aufzubereiten und dies auch im digitalen Raum abzubilden. Dazu trennen die Forschenden die zerkleinerten Partikel der unterschiedlichen Metallfolien mit Hilfe eines Luftstroms in einem Windsichter. Um die Partikel und deren spezifische Eigenschaften während der Sortierung zu identifizieren und die Grundlagen für den digitalen Zwilling zu schaffen, wollen die Verfahrenstechniker spezialisierte, bildgebende, optisch-spektroskopische Verfahren einsetzen, die auf hyper- und multispektraler Messtechnik beruhen. Dafür haben sie sich mit den Projektpartnern des Instituts für Angewandte Physik und dem HIF zusammengetan. Gemeinsam untersuchen sie charakteristische Parameter des Recyclingstroms wie Partikelgröße, Partikelform oder stoffliche Partikeleigenschaften für Eingangs- und Produktstrom. Ein Multisensorsystem erfasst die Daten online direkt im Windsichter und analysiert die Batterie-Bestandteile in Echtzeit. Aus den gewonnenen Daten wird eine adaptive Regelung des Klassier- beziehungsweise Sortierprozesses entwickelt. Das heißt, es werden lernfähige Methoden verwendet, die auf Datenanalyse, Computer-Vision und Machine-Learning-Werkzeugen beruhen und nicht nur auf physikalischen Prozessmodellen.
Wie verhalten sich Lösungsmittel im Recyclingprozess?
Im Projekt „Lowvolmon“ klärt das Team um Koordinator Prof. Peuker das Verhalten der flüchtigen Bestandteile einer geschredderten Batterie, insbesondere von organischen Lösungsmitteln. Nach der Trocknung bei circa 80 ° C überprüfen die Forschenden bei der Sortierung im Windsichter, ob diese Bestandteile in der Prozessluft angereichert werden. Das Team diskutiert außerdem mit den weiteren Projektpartnern, welche Trocknungstemperatur notwendig ist, um die Lösungsmittelemissionen zu minimieren und welche Schlussfolgerungen daraus für den Recyclingprozess gezogen werden müssen.
Lithium-Recycling weiter vorantreiben
Ein drittes Forschungsprojekt (EarLiMet) des Clusters implementiert einen innovativen Recycling-Weg für Lithiumbatterien, bei dem der COOL-Prozess eine sehr wichtige Rolle spielt. Das Projekt wird vom Fraunhofer IKTS koordiniert. „COOL“ steht für CO2-Laugung. Das international beachtete Verfahren hat ein Team um den Chemiker Prof. Dr. Martin Bertau von der TU Bergakademie Freiberg entwickelt. Es wird nun gemeinsam mit den Projektpartnern in einer Demonstrationsanlage am Freiberger Fraunhofer-Technologiezentrum Hochleistungsmaterialien THM erprobt und soll bei Projektende pro Tag circa eine Tonne ausgediente Lithium-Akkus verarbeiten können.
[1]Foto: BHS-Sonthofen
Die Forschenden verwerten dabei die Schwarzmasse aus den Batterien. Diese enthält das Lithium, aber auch die essenziellen Metalle Cobalt und Nickel. Lithium wird über eine chemische Laugung mit Kohlenstoffdioxid von anderen Bestandteilen getrennt und extrahiert. Gewonnen wird es als Lithiumcarbonat, der wichtigsten Handelsform für Lithium. Die Forschenden erhalten das Material bereits als Rohprodukt in Batteriequalität, weshalb eine weitere kostentreibende Reinigung nicht nötig ist. Die anderen Wertmetalle werden im Anschluss aus der lithiumfreien Schwarzmasse rückgewonnen.
Hierfür entwickeln die Freiberger Forschenden die erforderlichen Methoden mit den Projektpartnern in Dresden, Aachen und Clausthal. Denn Lithium, aber auch Cobalt und Nickel sollen in Primärproduktqualität rückgewonnen werden. Ziel ist es, am Ende alle Komponenten wieder in den Wertstoffkreislauf integrieren zu können und so Zero-Waste-Prozesse in greifbare Nähe zu rücken.
(Erschienen im EU-Recycling Magazin 04/2021, Seite 15, Foto: TU Bergakademie Freiberg/S. Jachalke)