Sichern einer kritischen Materialbasis in Europa durch Kreislauferschließung: Das DiLiRec-Projekt

Die begrenzte Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien verur­sacht steigende Volumina an verbrauchten Batterien und Batte­rieabfällen. Zeitgleich wächst die Nachfrage nach Lithium-Eisen- Phosphat-(LFP)-Batterien. Diese elektrischen Energiespeicher gelten als besonders sicher, langlebig und kosteneffizient. Mit effizienten Recyclingstrategien können die Grundsätze des europäischen Grünen Deals, also die Entwicklung einer nach­haltigen Industrie bei gleichzeitiger Reduzierung des Batterie­materialienverbrauchs, umgesetzt werden. Das Direktrecycling ist hierbei ein vielversprechender Ansatz.

Im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten DiLiRec-Projekt (FKZ: 03XP0549H) arbeiten neun Projektpartner gemeinsam an neuen Recyclingverfahren für LFP-Kathodenmaterialien auf Basis einer optimierten Schwarz­massengewinnung, um so den realen Bedürfnissen der Industrie gerecht zu werden.

Das Fraunhofer IKTS erarbeitet hierfür einen direkten Recycling­weg. Hierfür müssen die Anforderungen an die Schwarzmasse sowie an die möglichen Rezyklate eindeutig definiert werden. Die wiedergewonnenen Aktivmaterialien werden daher umfas­send analysiert, um den direkten Recyclingprozess zu optimie­ren. Das elektrochemische Verhalten der hergestellten Rezyklate wird in Knopfzellen charakterisiert, wobei sowohl reine Rezyklate als auch Mischungen von recyceltem LFP-Kathoden- oder Graphit-Anodenmaterial mit frischen Aktivmaterialien unter­sucht werden.

Die ersten Elektroden wurden aus LFP-Abfallkathoden herge­stellt, wobei das Aktivmaterial durch ein trockenes mechani­sches Entschichtungsverfahren zurückgewonnen wurde. Als Vergleich diente eine Referenzkathode aus kommerziellem LFP. Gegenüber der Referenzkathode unterschied sich das Verhal­ten des recycelten LFP-Materials während der Elektrodenher­stellung wie auch in der Elektrodenporosität (Abb. 1). Dies kann durch vorherige Bestandteile der Abfallkathode, z. B. Binder und Leitruß, oder enthaltene Verunreinigungen wie Aluminium verursacht werden. Die Ergebnisse der galvanostatischen Zyklierung (Abb. 2) zeigen eine sehr vielversprechende Zellperformance für die recycelte LFP-Kathode von > 88 % der Referenzkapazität (kommerzielles LFP: 154 mAh g^-1 vs. Recyceltes LFP: 136 mAh g^-1). Um die Leistung nachhaltig zu verbessern, werden als nächstes der Einfluss von Verunreinigungen bzw. deren Entfernung sowie Gemische von rezykliertem mit frischem LFP als Kathodenaktivmaterial in unterschiedlichen Verhältnissen untersucht.

Mit Hilfe des DiLiRec-Projekts hat das Fraunhofer IKTS das Potenzial des Direktrecyclings aufgezeigt, ohne diese Recyc­lingroute bisher optimiert zu haben und leistet damit einen wichtigen Beitrag zur Kreislaufwirtschaft im Bereich Batterien und zur Sicherung der Ressourcen in Europa.