PEM forscht an Batteriezellen mit hohem Recyclinganteil

Ziel des vom Ministerium für Umwelt, Naturschutz und Verkehr des Landes Nordrhein-Westfalen geförderten Vorhabens ist es laut der Mitteilung des PEM, die Produktion und die Funktionsweise von Zellen mit einem bisher nicht realisierten Anteil von mehr als 80 Prozent recycelten Materials zu untersuchen. Das geschieht vor einem ganz konkreten Hintergrund: Denn um die Vorgaben der EU-Batterieverordnung bei den Mindest-Recycling-Quoten für Kathoden-Aktivmaterial (CAM) einzuhalten, ist es laut dem PEM „unabdingbar“, recycelte Materialien wieder in die Batterieproduktion einzuführen.

PEM-Leiter Professor Achim Kampker bringt die Lage des aktuellen Forschungsstandes auf den Punkt: „Wiederverwertbare Komponenten von Lithium-Ionen-Batteriezellen sind bisher nur einzeln betrachtet und nicht auf ihr tatsächliches Zusammenspiel in neuen Batterien getestet werden.“ Genau das will der Lehrstuhl Production Engineering of E-Mobility Components jetzt ändern. Dafür sollen entlang der gesamten Batterie-Wertschöpfungskette Zulieferer und Prozessrouten gewählt werden, die die Anforderungen an die jeweiligen Batteriematerialien erfüllen und die CO2-Bilanz verbessern.

Die Herausforderung ist dabei oft der Reinheitsgrad der recycelten Materialien. Als Beispiel wird in der Mitteilung Grafit genannt, das Anodenmaterial sei „aus sekundären Quellen bislang unattraktiv“. Das liege in einer verschlechterten Morphologie des Aktivmaterials zum „End of Life“-Zeitpunkt, in einer stärkeren Verschmutzung etwa durch Binder sowie in technologischen und wirtschaftlichen Herausforderungen. Und die Aufbereitung des recycelbaren Grafits soll „äußert kostenintensiv“ sein – gerade im Vergleich zu neuem Material.

Aktuell liegt der Fokus bei Recycling-Vorhaben meist auf den CAM, weil deren Rohstoffe kostbar sind. Aber selbst dort gibt es noch offene Punkte in der Forschung. „Die weltweite Batterie-Industrie verwendet teilweise schon recycelte Metallsalze wie Nickel- und Kobaltsulfat oder Lithiumhydroxid, aber das genaue Verhalten der Materialien in der Batteriezelle – zum Beispiel Alterung, Sicherheit und die notwendige Reinheit – sind nicht in vollem Umfang bekannt“, sagt PEM-Leitungsmitglied Professor Heiner Heimes.

Aber: Um die Recyclingquoten zu erfüllen und eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft zu erreichen, müssen künftig auch die inaktiven Komponenten einer Batteriezelle wieder aufbereitet werden – also etwa die Trägerfolien der Aktivmaterialien aus Aluminum und Kupfer sowie die Separatorfolie.„ Während das Recycling der meisten Batteriekomponenten technisch inzwischen möglich ist, wurde bis dato noch keine Batteriezelle hergestellt, die einen mindestens 80-prozentigen Rezyklat-Anteil aufweist“, sagt Kampker. Im Projekt „Kreislauf.IN.NRW“ soll das gelingen und eine skalierbare Prozessroute herausgearbeitet werden. Aus der Industrie sind die Unternehmen „NEUMAN & ESSER“, „Accurec Recycling“, „Iondrive EU“ und „Constantia Patz“ beteiligt.

Als Forschungsziele für „Kreislauf.IN.NRW“ werden daher etwa die Untersuchung von Wechselwirkungen zwischen Prozessparametern der hydrometallurgischen Rückgewinnung und der Materialqualität von Rezyklaten (pCAM/CAM) genannt oder die „Entwicklung reproduzierbarer Syntheseprozesse für NMC-Materialien aus Sekundärrohstoffen mit gezielter Steuerung von Partikelmorphologie, Stöchiometrie und Restverunreinigungen“. Die elektrochemische Leistungsfähigkeit dieser Materialien soll dann bewertet werden, um daraus „Toleranzgrenzen für Verunreinigungen in recyceltem Lithium, Nickel, Kobalt und Mangan im Vergleich mit Primärrohstoffen“ abzuleiten. Damit soll dann eine wissenschaftlich fundierten Datengrundlage zur Verknüpfung von Prozess-, Material- und Performance-Parametern aufgebaut werden.

Das Projekt ist offiziell zum 1. Oktober 2025 gestartet und ist bis zum 30. September 2028 angesetzt.

rwth-aachen.de (Mitteilung), rwth-aachen.de (Projektseite)