Recycling Ein zweites Leben für gebrauchte Lithium-Ionen-Batterien?

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Was passiert mit alten, gebrauchten Lithium-Ionen-Battererien? Dieser Frage haben sich Forscher am Fraunhofer LBF im Projekt Circulus gewidmet: Sie haben genutzte Traktionsbatterien zu einem stationären Speichersystem umgebaut und ein recyclingfähiges Leichtbau-Batteriegehäuse entwickelt.

Lithium-Ionen-Batterien aus Elektrofahrzeugen verlieren im Laufe ihrer Nutzung an Ladekapazität. Ab einem Kapazitätsverlust von 20 Prozent sind sie dann nicht mehr für den Fahrzeugbetrieb geeignet, da sich die Reichweite und die Schnellladefähigkeit verringert. Allerdings könnte die verbleibende Kapazität von 80 Prozent für eine stationäre Speicheranwendung ausreichen. Aus der Perspektive der Zellen, die in der Neuanschaffung teuer sind und somit die Wirtschaftlichkeit des stationären Speichers erschweren, ein sehr nachhaltiger Ansatz. Aus Systemperspektive stellt sich dieser Ansatz allerdings als Herausforderung dar.

Grundlegend gilt es drei Schwerpunkte bei der Zweitnutzung von Lithium-Ionen Zellen bzw. Lithium-Ionen Batteriesystemen zu beachten:

• Lithium-Ionen Zelle ist nicht gleich Lithium-Ionen Zelle, denn in Abhängigkeit der verwendeten Zusammensetzung des Elektrolytes, des genutzten Materials für Anode und Kathode und des physikalischen Aufbaus der Zelle, unterscheiden sich die Zellen erheblich in ihrem Alterungsverhalten. Das bedeutet für jede Nutzung bzw. Zweitnutzung, dass das Alterungsverhalten der jeweils verbauten Zellen geprüft und bewertet werden müssen. Der vorhandene Zellzustand zeigt an, ob die Zelle noch wirtschaftlich und sicher in der Weiternutzung betrieben werden kann.

• Die Bewertung der weiteren Sicherheit im gealterten Zustand betrifft die Überwachung und Reglung während der Zweitnutzung im stationären Speicher. Hier gilt es das Batteriemanagement entsprechend anzupassen. Dieses ist auch der zweite Schwerpunkt, den es in der Zweitnutzung zu beachten gilt.

• Der dritte Schwerpunkt betrifft die Konstruktion und den Aufbau des Batteriesystems im Ganzen. Der aktuelle Stand der Technik berücksichtig die Möglichkeit der Zweitnutzung nicht. Dies führt zu hohen zeitlichen und wirtschaftlichen Aufwänden zum Beispiel durch nötige Umbaumaßnahmen bis hin zum vollkommenen Ausschluss für eine Zweitnutzung. Die Konstruktion und der Aufbau des Batteriesystems an sich spielt auch eine, wenn nicht sogar die entscheidende Rolle, bei dem anschließenden und nötigen Recycling von Lithium-Ionen Batteriesystemen.

Leichte und recyclingfähige Batteriegehäuse für die E-Mobilität

Im Vorhaben Circulus entwickeln Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF ein Batteriesystem, das direkt für eine Erst- und eine Zweitnutzungsphase ausgelegt ist. Ein wichtiger Arbeitsschwerpunkt sind reversible und dennoch leichte sowie betriebssichere Fügeverbindungen auf Zellebene über die Modulbefestigung bis hin zum Systemgehäuse. Zusätzliche Aufgaben betreffen ein praktikables Verfahren zur Zellbewertung sowie die Realisierung effizienter und schneller Umbaukonzepte von mobilen zu stationären Anwendungen.

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Zudem entwickeln sie möglichst leichte und recyclingfähige Batteriegehäuse unter anderem aus Kunststoff für die E-Mobilität. Für eine erfolgreiche Kreislaufführung von Strukturkomponenten ist eine leichte und stoffstromgerechte Zerlegbarkeit unerlässlich, um die Sortierung so effizient wie möglich zu gestalten. Die daraus gewonnen Stoffströme sollen so effizient wie möglich genutzt und zu hochwertigen Rezyklaten aufgearbeitet werden. Mittels umfassender Analytik können die Forschenden im Fraunhofer LBF die Qualität sowie mögliche Chargenunterschiede der Materialien erfassen. Dies dient als Ausgangslage für eine gezielte Materialanpassung im Rahmen der R-Strategien für einen Einsatz in anspruchsvollen und hochbelasteten Anwendungen. Durch eine angepasste Additivierung kann eine Qualitätsverbesserung entlang der gesamten Wertschöpfungskette erzielt werden.

„Damit erreichen wir eine Kreislaufführung der verwendeten Materialien und ermöglichen unter anderem eine nachhaltige Nutzung der ressourcenintensiven Batteriezellen“, so Eva-Maria Stelter, Wissenschaftlerin am Fraunhofer LBF und Projektleiterin von Circulus.

Nachhaltige Entwicklung dank interdisziplinärer Herangehensweise

Der Einsatz von bereits genutzten Batteriezellen aus ehemaligen Traktionsspeichern in 2nd-Life Anwendungen ist ein komplexer Transformationsprozess. „Um diesen zu bewältigen, bedarf es einer transdisziplinären Herangehensweise, um die relevanten Herausforderungen und Fragestellungen in ihrer Komplexität zu erörtern. Dabei müssen die unterschiedlichsten Sichtweisen verschiedener Wissenschaftsdisziplinen hinsichtlich ökonomischer, ökologischer und gesellschaftlicher Aspekte berücksichtigt werden“, erklärt Dr. rer. sust. Dominik Spancken, der erste Doktor der Nachhaltigkeitswissenschaften in Deutschland.

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