Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB
Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB

SeRoBatt: »Sekundäre Quellen kritischer Rohstoffe für die Batteriezellfertigung– Potenziale, Rückgewinnung, Resynthese«

Kurzbeschreibung

Die Zielsetzung des Forschungsprojekt liegt in der Identifizierung und Erschließung sekundärer Rohstoffquellen für die Batteriezellproduktion. Dabei richtet sich der Fokus auf End-of-Life (EoL)-Produkte, bei denen es sich nicht um Batterien handelt. Es werden geeignete Recyclingverfahren für diese EoL-Produkte entwickelt und die gewonnen Rezyklate zu NMC-Aktivmaterial resynthetisiert und in Testzellen reintegriert. Eine abschließende Performanceauswertung und Grenzwertanalyse soll Aufschlüsse über Verunreinigungstoleranzen geben. 

Aktuell sind Materialkreisläufe nicht geschlossen, d.h. dass ein nicht unbedeutender Massenstrom von EoL-Produkten entweder auf Deponien endet oder als Schrott ins Ausland exportiert wird. Dadurch gehen wertvolle Rohstoffe verloren. Zudem wächst durch die neue EU-Batterieverordnung der Druck auf die Hersteller, bestimmte Mindestanteile an recycelten Materialien in neuen Batterien zu verarbeiten, wobei dem Recyclingmarkt nicht ausreichend ausgediente Batterien zur Verfügung stehen und europäische Recyclingkapazitäten gerade erst im Aufbau sind. 

Im Sinne eines kreislauffähigen Forschungsansatzes, werden mithilfe von Material- und Stoffstromanalysen verschiedene Lithium, Nickel, Mangan und Kobalt enthaltende EoL-Produkte identifiziert und auf die Kreislauffähigkeit und Nutzbarkeit ihrer Rohstoffe für die Batteriebranche untersucht. Da Glaskeramiken nach Lithium-Ionen-Batterien die zweitgrößte Lithium-enthaltende Produktgruppe ausmachen und es derzeit keinen geregelten Stoffkreislauf gibt, wird ein Fokus auf diese Gruppierung gelegt.

Mittels einer ökologisch- ökonomischen Bewertung wird geprüft, inwieweit die Rückgewinnung der Rohstoffe unter eben jenen Gesichtspunkten als sinnvoll erachtet werden kann. Hierbei werden auch vor- und nachgelagerte Schritte von der Sammlung, Demontage, Vorbehandlung, Rückgewinnung, Resynthese untersucht, um die ökologische und wirtschaftliche Tragfähigkeit eines zirkulären Geschäftsmodells zu analysieren. Die Bewertung erfolgt unter einer kontinuierlichen Betrachtung des Gesamtsystems, unter Berücksichtigung möglicher alternativer Aufbereitungswege. Abschließend werden die gewonnenen Ergebnisse in einer »Sekundärrohstoffmap« zusammengetragen und die Übertragbarkeit auf andere Stoffströme sowie Optimierungspotenziale und regulatorische Lücken aufgezeigt.

Arbeitsplan

Der Arbeitsplan ist in acht Arbeitspakete unterteilt:

  1. Material und Stoffstromanalyse zur Identifizierung relevanter EoL-Produkte
  2. Beschaffung, Demontage und Charakterisierung der ausgewählten Stoffströme als Input in die mechanische Aufbereitung
  3. Entwicklung und Erprobung von produktspezifischen mechanischen Aufbereitungskonzepten zur Vorbereitung der EoL-Produkte für die Lithium- und NMC-Rückgewinnungsprozesse
  4. Rückgewinnung von Lithium als Lithiumkarbonat aus Li-haltigem Glaskeramikpulver
  5. Prozessentwicklung und -durchführung zur Rückgewinnung von NMC-Materialien
  6. Bewertung der industriellen Transferfähigkeit unter ökologischen und ökonomischen Aspekten
  7. Einsatz von Rezyklaten in der Aktivmaterialsynthese und Zellbau. Ableiten von Qualitätsanforderungen an die Metallsalze sowie die Identifizierung eines sinnvollen Rezyklatanteils für die Herstellung neuer Lithium-Ionen-Batterien
  8. Erfassung relevanter Forschungsergebnisse aus dem Projekt für eine industrielle Umsetzung

Ergebnisverwertung

Das Projekt wird wichtige Erkenntnisse und Ergebnisse aus dem Bereich Kreislaufwirtschaft, Rezyklatgewinnung und -reintegration in der Batteriezellfertigung liefern. Untersucht wird das Potenzial sekundärer Rohstoffquellen und welche wirtschaftlichen und ökologischen Mehrwerte daraus generiert werden können. Dies ist sowohl für die nordrhein-westfälische und überregionale Abfallwirtschafts- als auch für die deutsche Batteriebranche relevant.

Die Ergebnisse tragen zudem dazu bei, wichtige Erkenntnisse über die Möglichkeit der Kreislaufschließung für EoL-Produkte, für die dieses bislang noch nicht erfolgt ist, sowie zu den Möglichkeiten und Grenzen der Verwendung von Rezyklaten aus nicht-batterie Stoffströmen, zu gewinnen. Die nordrhein-westfälsche Recyclingbranche verfügt über ein breites Netz an Akteuren, welche sich vor dem Hintergrund steigender Rohstoffpreise sowie strikten regulatorischen Vorgaben für die neuen Herausforderungen positionieren müssen. Durch den massiven Ausbau der Batterieproduktionskapazitäten und den damit verbundenen Rohstoffbedarf erschließt sich für die Recyclingbranche ein neuer Markt. Die Anforderungen dieses Marktes an sekundäre Rohstoffe und die dafür benötige Infrastruktur werden in diesem Projekt untersucht. Damit unterstützt das Vorhaben die von der EU-Kommission vorgelegte Strategie zur Sicherung kritischer Rohstoffe und bietet einen konkreten Ansatz zur Erhöhung der nordrhein-westfälischen Versorgungssicherheit von mineralischen Rohstoffen.

Ein zusätzlicher Ausbau der nordrhein-westfälischen Recyclingbranche durch die Erschließung neuer Märkte, unterstützt zudem die Stärkung des Wirtschaftsstandorts NRW. Für die beteiligten PartnerInnen entsteht somit ein Wissensvorsprung auf dem Gebiet der Rezyklate aus Nicht-Batterie-Produkten.