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KIT: Nachhaltige und sichere Batterien – Forschung am Lebenszyklus

Recycling und optimierte Rohstoffkreisläufe, Zweitnutzung und ein wissensbasiertes Zelldesign sollen Lithium-Ionen-Batterien künftig nachhaltiger und sicherer machen. Die Grundlagen dafür schaffen Wissenschaftler aus Verfahrenstechnik und Materialwissenschaft am KIT Karlsruher Institut für Technologie mit gemeinsamer Forschung zum Batterielebenszyklus. Die neuen Forschungsprojekte sind Teil der vom BMBF Bundesministerium für Bildung und Forschung, Bonn, neu geschaffenen Batterieforschungscluster „greenBatt“ und „BattNutzung“.

Batteriezellen mit einer dauerhaft hohen Leistungsfähigkeit können den ökologischen Fußabdruck von Anwendungen wie der Elektromobilität erheblich verringern. Denkbar ist es auch, solche Zellen nach Gebrauch weiterzunutzen, beispielsweise in großen Netzspeicherverbunden. Doch nicht alle Zellen sind für solche „Second-Life-Szenarien“ geeignet, der Langzeitbetrieb erfordert das perfekte Zusammenspiel zahlreicher Komponenten und Materialien. Nach Informationen von Professor Hans Jürgen Seifert, Institut für Angewandte Materialien – Angewandte Werkstoffphysik des KIT, finden beim dauerhaften Laden und Entladen einer Batterie unweigerlich auch unerwünschte Seitenreaktionen statt. Wenn das ihr Verhalten nachteilig beeinflusst, spricht man von Degradation oder Alterung. Man kann sie nicht ganz verhindern, aber durch ein entsprechendes Zelldesign verzögern und abmildern. H. J. Seifert und sein Team analysieren die Zersetzungsmechanismen im besonders reaktiven Elektrolyt anhand der damit einhergehenden Gasbildung. Durchgeführt werden hochpräzise kalorimetrische Messungen, also die Bilanzierung von Wärmemengen im Betrieb einer Batterie sowie deren thermodynamische Modellierungen. Ziel des Projektes sind präzise Vorhersagen zum Zellverhalten bei der Nutzung. Mit den Modellen des KIT können dann sichere und nachhaltige Batterien wissensbasiert entwickelt und zügig in den Markt gebracht werden.

Degradation verstehen und steuern

Ein besseres Verständnis der Degradationsprozesse hilft auch dabei, verlässlichere Lebensdauerprognosen für Lithium-Ionen-Zellen zu erstellen. Entsprechende Testreihen sind äußerst zeitaufwendig. Als Lösung werden laut Professor Thomas Wetzel, Institut für Thermische Verfahrenstechnik (TVT) des KIT, Testverfahren benötigt, in denen die Alterung beschleunigt abläuft. Der Wohlfühlbereich der Zellen liegt bei rund 25 °C. Wenn sie Hitze oder Kälte ausgesetzt werden, altern sie deutlich schneller. Die Komplexität der Alterungsprozesse und der thermischen Bedingungen in den Zellen machen es bislang aber schwierig, Ergebnisse beschleunigter Prüfverfahren auf konventionelle Verfahren zu übertragen. T. Wetzel und sein Team identifizieren jetzt geeignete Bedingungen und Parameter, 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.

Neue Ansätze für das Batterierecycling

Ein weiterer Schwerpunkt der neuen Cluster sind ein recyclinggerechtes Batteriedesign sowie die Weiterentwicklung von Recyclingverfahren und Rohstoffkreisläufen. Aktuell existieren zwei Verfahrenswege zum Recycling von Lithiumbatterien. Beim pyrometallurgischen Ansatz werden die Zellen bei hohen Temperaturen eingeschmolzen. Das ist robust und sicher, die erreichbare Recyclingquote ist nach Aussage von Professor Hermann Nirschl, Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik (MVM) des KIT, jedoch begrenzt. Potenziell höhere Recyclingquoten versprechen die mechanischen Ansätze, also das Zerkleinern und Sortieren. Diese sind aber grundsätzlich mit höheren Sicherheitsrisiken behaftet und die Materialtrennung ist bislang nur mäßig selektiv. Am MVM werden einzelne Prozessparameter und Prozessketten des mechanischen Recyclings hochaufgelöst simuliert, verglichen und mit dem Ziel optimiert, ein wirtschaftlich tragfähiges, umweltschonendes und funktionserhaltendes Batterierecycling zu ermöglichen. Dabei berücksichtigen sie innovative Ansätze wie Schockwellen, Ultraschallverfahren oder Nassmahlung, die eine hohe Materialselektivität, eine Erhaltung von Funktionsmaterialien und durch den Einsatz von Wasser auch eine hohe Sicherheit garantieren. Künftig können günstige Designmerkmale für Batterien direkt aus den Simulationsergebnissen abgeleitet werden.

Rückgewinnung wertvoller Rohstoffe

Wo die aktuellen Verfahren beim Batterierecycling an Grenzen stoßen, kann die Ausbeute durch eine bessere Kombination von mechanischen mit thermischen Verfahren weiter erhöht werden. So arbeitet das Forschungsteam von Professor Wilhelm Schabel der TFT Thin Film Technology des KIT an thermischen Recyclingprozessen für flüchtige organische Komponenten in Elektrodenschichten. Ziel ist, nach Mitteilung von W. Schabel, wertvolle Rohstoffe zurückzugewinnen, die bei der bisherigen Aufbereitung von Batteriezellen nicht ausreichend berücksichtigt wurden. Gemeinsam mit den Projektpartnern wird hinsichtlich der Recyclingquote auch die Behandlung des Schredderguts bei Temperaturen bis 500 °C optimiert. Experimente mit neuen spektroskopischen Messmethoden sollen dabei zu einem grundlegenden Verständnis der Mikro- und Makroprozesse in den Elektrodenschichten während des Recyclingprozesses führen. Außerdem soll eine geeignete Strategie für eine weiterführende thermische Behandlung zur Abtrennung auch von schwersiedenden und in den Schichtstrukturen langsam diffundierenden Komponenten gefunden werden. Die experimentellen Erkenntnisse werden jeweils konsequent in Simulationsmodelle überführt. Nur so kann zur Optimierung künftiger Recyclingprozesse beigetragen werden.

Batteriesysteme intelligent überwachen

Neben der Nachhaltigkeit steht auch die Sicherheit von Batteriesystemen im Fokus der Arbeit in den neuen Forschungsclustern. Sicherheitskritische Defekte auf Zellebene ereignen sich zwar nur selten, können aber schwere Folgen haben – wie beispielsweise beim Lithium-Plating: Ausgelöst wird der Effekt durch die Anlagerung von metallischem Lithium in der Anode, erklärt Professorin Ulrike Krewer, Institut für Angewandte Materialien – Elektrochemische Technologien (IAM-ET des KIT). Das kann zu einem massiven Kapazitätsverlust führen, im Extremfall auch zu Kurzschlüssen oder sogar zu einem Zellbrand. 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. U. Krewer und ihr Team entwickeln jetzt verbesserte Analysealgorithmen für die Praxis. Dabei werden nichtlineare Vorgänge beim Betrieb einer Batterie berücksichtigt – diese Daten wurden bislang kaum zur Diagnose genutzt.

Gemeinsame Forschung im Auftrag der Bundesregierung

Bei der Ausgestaltung des Dachkonzeptes „Forschungsfabrik Batterie“ hat die deutsche Bundesregierung zuletzt vier neue Kompetenzcluster für die Batterieforschung geschaffen, die insgesamt mit 100 Mio. Euro gefördert werden. Das KIT koordiniert dabei bundesweite Forschung zu flexiblen Produktionssystemen im Kompetenzcluster „InZePro“ (Intelligente Batteriezellproduktion) und zu leistungsstarken Batterien im Cluster „AQua“ (Analytik/Qualitätssicherung). Auch die Beiträge des KIT in den Forschungsclustern „greenBatt“ (Recycling/Grüne Batterie) und „BattNutzung“ (Batterienutzungskonzepte) basieren auf der engen Zusammenarbeit unterschiedlicher Institutionen. Beteiligt sind unter anderem verschiedene Institute der Fraunhofer-Gesellschaft, die Hochschule Ingolstadt, die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (RWTH), die TU Braunschweig, die TU Clausthal, die TU Freiberg, die Technische Universität München (TUM), die Westfälische Wilhelms-Universität Münster (WWU) sowie das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Ulm (ZSW).