Viele Schweizer kennen sie inzwischen: Die gelben Elektromobile, die – meist auf drei Rädern – die Post transportieren. Der Hersteller dieser Fahrzeuge Kyburz hat zusammen mit der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) eine Methode entwickelt, ausgediente Lithiumionenspeicher der Elektrofahrzeuge sortenrein zu zerlegen und die Materialien zu recyceln. „Bei dieser Art von Batterie sind Kathode, Separator und Anode in mehreren Schichten in einem Kunststoffgehäuse verbaut“, erklärt EMPA-Forscher Andrin Büchel aus der Abteilung Technologie und Gesellschaft.
Kathode und Anode voneinander trennen
Durch ein Abrollen des Separators werden die Kathoden und die Anoden – Metallfolien, die mit Partikeln beschichtet sind, um Lithiumionen einlagern zu können – in zwei getrennte Behälter sortiert. Danach geht es an die Rückgewinnung der Elektrodenmaterialien. In der Regel ist die Kathode eine mit Lithium-Eisen-Phosphat-Partikeln beschichtete Aluminiumfolie. Diese kommt in ein Wasserbad, wo sich die Partikel von der Folie ablösen. Durch Dekantieren und Trocknen können sie einzeln als Pulver zurückgewonnen werden.
Partikel von der Flüssigkeit trennen
So wird auch die Anode behandelt. Es ist meist eine mit Graphitpartikeln beschichteten Kupferfolie. Hier entsteht nach dem Wasserbad eine homogene Suspension, also eine Flüssigkeit, in der die einzelnen Teilchen schwimmen. Deshalb ist hier noch ein Extraschritt notwendig. In einer Zentrifuge werden die Partikel abgetrennt. „Am Ende des Recyclingprozesses erhalten wir das Gehäuse, den Separator, die Aluminium- und die Kupferfolien sowie die Elektrodenmaterialien sortenrein zurück“, sagt Andrin Büchel.
Material für Weiterverarbeitung vorbereiten
Diese Art von Recyclingverfahren wird als direktes Recycling bezeichnet. „Beim direkten Recycling wird die Batterie nur so weit zerlegt wie nötig, um die funktionalen Eigenschaften der Materialien zu erhalten. Dadurch können wir die Anzahl der notwendigen Arbeitsschritte, auch für die Weiterverarbeitung, möglichst gering halten“, erklärt der EMPA-Forscher.
Am Anfang dieser Weiterverarbeitung steht die Regeneration der einzelnen Materialien, damit sie in neuen Batterien wieder zum Einsatz kommen können. Genau daran arbeitet zurzeit Andrin Büchel zusammen mit seinem Kollegen Edouard Quérel vom Batterielabor der Abteilung Materials for Energy Conversion.
Alterung der Kathode untersucht
Dort haben die beiden Forscher bereits den Mechanismus hinter der Alterung des Kathodenmaterials aufgedeckt. „Das Lithium-Eisen-Phosphat hat eine kristalline Struktur, die bei jedem Lade- und Entladezyklus Lithiumionen abgibt und wiederaufnimmt, erklärt Büchel. „Diese Struktur bleibt erhalten, aber die Menge an aktiven Lithiumionen nimmt mit der Zeit ab. Deshalb arbeiten die Forscher derzeit daran, das Kathodenmaterial durch gezielte Zugabe von Lithium wieder aufzufrischen. Am Ende soll mit dem recycelten Material möglichst leistungsfähige neue Batterien gebaut werden, um dem Kreislauf zu schließen.
Möglichst auf andere Batterietypen übertragen
Derzeit eignet sich das von Kyburz und der EMPA entwickelte Verfahren nur für die spezifische Bauweise und Zellchemie der Batterien, wie sie unter anderem in Kyburz-Fahrzeugen zum Einsatz kommen. „Ob und wie sich dieses Verfahren auch auf andere Zelltypen übertragen lässt, untersuchen wir zurzeit im Rahmen des Innosuisseprojekts Circu Bat, an dem neben Kyburz 23 weitere Partnerfirmen beteiligt sind“, sagt Büchel. (su)
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