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Neue Batterie-Kompetenzcluster am KIT

Lithium-Ionen-Batterien zukünftig nachhaltiger und sicherer

Ein verbessertes Verständnis des Lebenszyklus ermöglicht die beschleunigte Entwicklung ausdauernder, recyclingfähiger und sicherer Lithium-Ionen-Batterien.
Ein verbessertes Verständnis des Lebenszyklus ermöglicht die beschleunigte Entwicklung ausdauernder, recyclingfähiger und sicherer Lithium-Ionen-Batterien.
© Laila Tkotz | KIT

Recycling und optimierte Rohstoffkreisläufe, Zweitnutzung und ein wissensbasiertes Zelldesign sollen Lithium-Ionen-Batterien in Zukunft nachhaltiger und sicherer machen. Die Grundlagen dafür schafft das Karlsruher Institut für Technologie mit Forschung zum Batterielebenszyklus.

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, etwa in großen Netzspeicherverbunden. Doch nicht alle Zellen sind für solche Second-Life-Szenarien geeignet, der Langzeitbetrieb erfordert das perfekte Zusammenspiel zahlreicher Komponenten und Materialien: »Beim dauerhaften Laden und Entladen einer Batterie finden unweigerlich auch unerwünschte Seitenreaktionen statt«, erklärt Professor Hans Jürgen Seifert vom Institut für Angewandte Materialien – Angewandte Werkstoffphysik des KIT. »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.« Daher werden im KIT die Zersetzungsmechanismen im besonders reaktiven Elektrolyt analysiert 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,

Ein besseres Verständnis der Degradationsprozesse hilft auch dabei, verlässlichere Lebensdauerprognosen für Lithium-Ionen-Zellen zu erstellen. Entsprechende Testreihen sind aber äußerst zeitaufwendig. Hierfür spielen Testverfahren, in denen die Alterung beschleunigt abläuft, eine äußerst wichtige Rolle. Der Wohlfühlbereich von Zellen liegt bei etwa 25 Grad Celsius, so dass ein Temperaturan- oder Abstieg den Alterungsprozess beschleunigt. Die Komplexität der Alterungsprozesse und der thermischen Bedingungen in den Zellen machen es bislang aber schwierig, Ergebnisse beschleunigter Prüfverfahren auf konventionelle Verfahren zu übertragen. Am Forschungsinstitut will man nun geeignete Bedingungen und Parameter identifizieren, die möglichst wenig zusätzliche Alterungsmechanismen auslösen und sich deshalb als Marker eignen. So soll sich die Alterung auch in beschleunigten Testreihen verlässlich vorhersagen lassen.

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Neue Ansätze für das Batterierecycling

Ein weiterer Schwerpunkt der neuen Cluster sind ein recyclinggerechtes Batteriedesign sowie die Weiterentwicklung von Recyclingverfahren und Rohstoffkreisläufen. Derzeit gibt es zwei Verfahrenswege zum Recycling von Lithiumbatterien, nämlich den pyrometallurgischen Ansatz, bei dem die Zellen bei hohen Temperaturen eingeschmolzen werden. Hier ist nach Aussagen des KIT die erreichbare Recyclingquote begrenzt. Potenziell höhere Recyclingquoten sollen die mechanischen Ansätze versprechen, die jedoch höhere Sicherheitsrisiken aufweisen. Am KIT werden einzelne Prozessparameter und Prozessketten des mechanischen Recyclings hochaufgelöst simuliert, verglichen und mit dem Ziel optimiert, ein wirtschaftlich tragfähiges, umweltschonendes und funktionserhaltenden Batterierecycling zu ermöglichen. Dabei berücksichtigen sie 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. Zukünftig können günstige Designmerkmale für Batterien direkt aus den Simulationsergebnissen abgeleitet werden.

Wo die derzeitigen Verfahren beim Batterierecycling an Grenzen stoßen, kann die Ausbeute durch eine bessere Kombination von mechanischen mit thermischen Verfahren weiter erhöht werden. So arbeitet das KIT auch an thermischen Recyclingprozessen für flüchtige organische Komponenten in Elektrodenschichten. 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.

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, beispielsweise beim Lithium-Plating.


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