KIT forscht an Projekten zum Batterielebenszyklus

In mehreren Projekten arbeiten die Forschenden am Karlsruher Institut für Technologie an nachhaltigen und sicheren Batterien. Die Forschungen zu Recycling, Zweitnutzung, Zelldesign und Rohstoffkreisläufen finden im Rahmen zweier Batterieforschungscluster des Bildungsministeriums statt.

Konkret handelt es sich um die BMBF-Projekte „greenBatt“ und „BattNutzung“. Mit Recycling und optimierten Rohstoffkreisläufen, Zweitnutzung und einem wissensbasierten Zelldesign sollen Lithium-Ionen-Batterien zukünftig nachhaltiger und sicherer gemacht werden, so das KIT in einer Mitteilung. Die Grundlagen dafür wollen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Verfahrenstechnik und Materialwissenschaft nun mit gemeinsamer Forschung zum Batterielebenszyklus schaffen.

Ein Beispiel: Nicht alle Zellen sind für die Zweitnutzung geeignet, da der Langzeitbetrieb „das perfekte Zusammenspiel zahlreicher Komponenten und Materialien“ erfordere. „Beim dauerhaften Laden und Entladen einer Batterie finden unweigerlich auch unerwünschte Seitenreaktionen statt“, sagt Professor Hans Jürgen Seifert. Die Degradation könne man nicht verhindern, aber durch ein entsprechendes Zelldesign verzögern und abmildern. Ziel des Projektes sind präzise Vorhersagen zum Zellverhalten bei der Nutzung, erklärt Seifert: „Mit unseren Modellen können dann sichere und nachhaltige Batterien wissensbasiert entwickelt und zügig in den Markt gebracht werden.“

Die Vorhersagen, wie eine Zelle altern wird, sind jedoch zeitaufwändig – und teilweise ungenau. „Der Wohlfühlbereich der Zellen liegt bei etwa 25 Grad Celsius. Wenn man sie Hitze oder Kälte aussetzt, altern sie deutlich schneller“, so Professor Thomas Wetzel vom Institut für Thermische Verfahrenstechnik. Alleine aber das Verfahren mit der beschleunigten Alterung kann das Ergebnis beeinflussen, da die chemischen Vorgänge komplex sind. Daher sei es schwierig, Ergebnisse beschleunigter Prüfverfahren auf konventionelle Verfahren zu übertragen. Ein weiteres Team um Professor Thomas Wetzel will nun Bedingungen und Parameter identifizieren, die möglichst wenig zusätzliche Alterungsmechanismen auslösen und sich deshalb als Marker eignen. Mit Hilfe dieses „thermischen Fingerabdrucks“ einer Batteriezelle soll es möglich werden, die Alterung auch in beschleunigten Testreihen verlässlich vorherzusagen.

Ist eine Zweitnutzung nicht möglich oder sinnvoll, sollte die Batterie recycelt werden. Beim pyrometallurgischen Ansatz werden die Zellen bei hohen Temperaturen eingeschmolzen – das ist robust und sicher, aber die Recyclingquote ist überschaubar. „Potenziell höhere Recyclingquoten versprechen die mechanischen Ansätze, also das Zerkleinern und Sortieren“, erklärt Professor Hermann Nirschl. „Diese sind aber grundsätzlich mit höheren Sicherheitsrisiken behaftet, und die Materialtrennung ist bislang nur mäßig selektiv.“ Nirschl will zahlreiche mechanische Recyclingprozesse simulieren, die ein „wirtschaftlich tragfähiges, umweltschonendes und funktionserhaltenden Batterierecycling“ ermöglichen sollen. Die Erkenntnisse sollen dann in den Designprozess neuer Zelltypen einfließen.

Ein Forschungsteam um Professor Wilhelm Schabel will hingegen thermische und mechanische Verfahren kombinieren. „Wir wollen wertvolle Rohstoffe zurückgewinnen, die bei der bisherigen Aufbereitung von Batteriezellen nicht ausreichend berücksichtigt wurden“, sagt Schabel. „Gemeinsam mit unseren Projektpartnern werden wir hinsichtlich Recyclingquote auch die Behandlung des Schredderguts bei Temperaturen bis 500 Grad Celsius optimieren.“ Experimente mit neuen spektroskopischen Messmethoden sollen dabei zu einem grundlegenden Verständnis der Mikro- und Makroprozesse in den Elektrodenschichten während des Recyclingprozesses führen.

An der Batteriesicherheit arbeitet ein Team um Professorin Ulrike Krewer. Etwa das Lithium-Plating könne zu „einem massiven Kapazitätsverlust führen, im Extremfall auch zu Kurzschlüssen oder sogar zu einem Zellbrand“, so Krewer. Damit es nicht so weit kommt, können Zellen während des Betriebs überwacht und geprüft werden. Allerdings wurden solche Online-Verfahren bislang vor allem im Labor eingesetzt und sind auf Systemebene wenig sensitiv. Krewer und ihr Team entwickeln nun verbesserte Analysealgorithmen für die Praxis.
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