NEW-BAT Neue energieeffiziente Wiederverwertung von Batteriematerialien

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1 NEW-BAT Neue energieeffiziente Wiederverwertung von Batteriematerialien Koordinator: Daniel Horn Förderkennzeichen: 033R174A Verbundpartner Fraunhofer-Projektgruppe für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS in Alzenau und Hanau (Koordinator) Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC in Würzburg Lars Walch GmbH & Co. KG in Baudenbach GRS Service GmbH in Hamburg ImpulsTec GmbH in Dresden 1

2 Ausgangssituation Lithium-Ionen-Batterien Schlüsseltechnologie für die Energiewende Aktuelles Recycling Pyro- und hydrometallurgisches Recycling Wertschöpfung Reine Metallwerte von Ni, Co, Cu, (Mn, Al) 2

3 Zielsetzung und -rohstoffe Funktionelles Recycling Rückgewinnung der Ausgangsverbindungen Effizientes Recycling Einsparung von Energie und Prozessmitteln Aktivmaterialien (NCM/NCA/LTO/G) Breite Anwendung Kompatibilität für verschiedene Batteriematerialien/-typen Anoden-/Kathodenfolien (Al/Cu) 3

4 Vorgehensweise Selektive Zerkleinerung Mittels elektrohydraulischer Zerkleinerung Effiziente Stoffabtrennung Mit einfachen physikalischen Trennverfahren Intelligente Aufbereitung & Wiederverwertung Erneuter Einsatz in neuen Batterien 4

5 Elektrohydraulische Zerkleinerung EHZ Verfahren zur Zerkleinerung verschiedener Materialsysteme Trennung an Phasengrenzen Hochspannungsentladung erzeugt eine Schockwelle Schockwelle trennt das Material bevorzugt an den mechanisch schwächsten Stellen Fragmentierung von verschiedenen Batteriesystemen möglich Anlagendaten Reaktorgröße: 30/40 l Materialvolumen: 0,5-10 l Arbeitsspannung: kv Energie: J Frequenz: 1-4 Hz 5

6 Prozessschritte Materialrecycling Vorbehandlung Zerlegung der Akkupacks Elektrohydraulische Zerkleinerung (EHZ) Abschöpfen der Kunststofffraktion Kunststoffe Schwarzmasse Abgießen / Nasssieben / Sedimentieren Rückstand im Reaktor Metallfraktionen Analytik mit XRD, RFA, ICP-OES, REM/EDX, TG-DTA 6

7 Partikelanalyse der Schwarzmasse mittels REM EDX:Ni,Co,C,Cu,Al,O 20 µm 2 µm EDX:C,O Schwarzmasse: NCA/NCM und Graphit (Aktivmaterialien) Verunreinigungen: Cu und Al (Stromableiter) 7

8 Elementarverteilungsanalyse mit EDX Elementspezifische Mappings nach Recyclingprozess Identische Verteilung kreisrunder Aktivmaterialelemente 8

9 Prozessschritte Zellfertigung Pastenherstellung aus Recyclematerial Beschichtung Al-Kathode, Cu-Anode Trocknen (1) Kalandrieren Aktivmaterial + Lösungsmittel Trockenschrank Stanzen Trocknen (2) Fertige Testzelle Bau von Testellen In Glovebox 9

10 Phasenanalyse der Aktivmaterialien Reflex-Zuordnung: Li(NiCoAl)O 2 (NCA) Li(CiCoMn)O 2 (NCM) und Graphit (G) Verbindungen anderer Elemente (Al, Cu, Li, etc.) liegen unterhalb der Nachweisgrenze von 5 bis 10 Volumen-% vor 100 NCM = JCPDS-No Intensity / a.u G G NCA = JCPDS-No Graphite (G) = JCPDS-No G Theta / degree 10

11 Elektrochemische Analyse Herstellung von Laborelektroden (nur Zusatz von N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) als Lösungsmittel Messaufbau: Elektrolyt 1 M LiPF6 in EC/DMC 1/1 g/g (LP30; Selectilyte BASF SE); Kathode NCA (ISC, Laborelektrode); Anode Lithium Current density / A/cm2 2,5x10-3 2,0x10-3 1,5x10-3 1,0x10-3 5,0x10-4 0,0-5,0x ,0x10-3 0,1 mv / S -1,5x10-3 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 Potential vs. Li/Li+ / V Zyklische Voltammetrie Capacity / mah/g wt% NCA Cel 3 Di s.ca p Cycle no. Zyklisierung Cell 1 Ch. Cap. Cel 1 Di s.ca p. Cel 2 Ch. Ca p. Cel 2 Di s.ca p. Cel 3 Ch. Ca p. 11

12 Aktuelle Projektentwicklung Recyclingprozess: Trennung von Anoden- und Kathodenmaterial bei Altbatterien Rückgewinnung von gelösten Stoffen (Li-Salz, Elektrolyt) aus dem Prozessmedium Schwarzmasse: NCA, NCM und Graphit sind mittels Röntgendiffraktometrie und Rasterelektronemikroskop nachweisbar Zellfertigung: Binderwirkung ist unzureichend so dass mind. 1 wt% Binder zugesetzt werden muss Alten Binden mit Aceton oder N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) herauslösen Elektrochemische Untersuchungen: Aktivmaterialien in der Schwarzmasse sind noch nicht ausreichend aktiv Weitere Aufbereitung der Schwarzmasse (Aktivierung mit Li-Salz) und Entfernung des Kohlenstoffs 12

13 Konsortium Fraunhofer-Projektgruppe für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS à Koordinator Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC à mit Fraunhofer- Forschungs- und Entwicklungszentrum für Elektromobilität Bayern FZEB Lars Walch GmbH & Co. KG à zertifizierter Entsorgungsfachbetrieb GRS Service GmbH à vom Bundesumweltministerium festgestelltes Rücknahmesystem für Gerätebatterien ImpulsTec GmbH à HighTech-Unternehmen für Hochspannungsimpulsanlagen und -komponenten 13

14 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Daniel Horn Energiematerialien und Leichtbau Fraunhofer-Projektgruppe IWKS Rodenbacher Chaussee 4, Hanau Tel.: