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Projekt „DeMoBat“ am Fraunhofer IPA

Roboter recycelt sortenrein E-Auto-Batterien

22. November 2021, 9:29 Uhr | Engelbert Hopf

Im Rahmen des Forschungsprojekts DeMoBat hat ein Forschungsteam am Fraunhofer IPA einen Industrieroboter entwickelt, der ausgediente Batterien von Elektroautos sortenrein demontiert. Dazu muss zuerst einmal das Gehäuse aufgeschraubt werden.

Ein Forscherteam am Zentrum für Digitalisierte Batterieproduktion (ZDB) am Fraunhofer IPA hat eine mit verschiedenen Werkzeugen ausgestattete Roboter-Zelle entwickelt, die in der Lage ist, die wertvollen Rohstoffe aus ausgedienten Batterien von Elektrofahrzeugen sortenrein zu recyclen.

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Wenn inzwischen bereits die Zulassungszahlen für den Elektro-Sportwagen Porsche Taycan über denen des klassischen 911er mit Verbrennungsmotor liegen, dann zeigt das vor allem eins: PKWs mit Elektroantrieb sind keine Nischenfahrzeuge mehr, sie drängen mit Macht auf den Markt. Nach den Statistiken des Kraftfahrtbundesamtes waren in Deutschland bereits im letzten Jahr rund 13 Prozent der Neufahrzeuge mit einem elektrischen Antrieb ausgestattet, wobei auch Hybridfahrzeuge mit Verbrennungsmotor und Batterie mitgezählt wurden. Bestätigen sich die aktuellen Marktprognosen, dann könnten bereits 2030 weltweit fast 50 Millionen Elektrofahrzeuge auf den Straßen unterwegs sein.

Doch diese dem Klimawandel geschuldete Mobilitätswende schafft auch ein riesiges Recycling-Problem. Mit der steigenden Anzahl von Elektrofahrzeugen nimmt auch die Zahl der Batterien zu, die am Ende ihrer Lebenszeit im E-Mobility-Einsatz aufgearbeitet werden müssen. Akkus, die im E-Mobility-Bereich eingesetzt werden, weisen im Schnitt eine Lebensdauer von zehn Jahren auf – das Problem wird also von Jahr zu Jahr drängender. Ein Team von Wissenschaftlern und Technikerinnen aus verschiedenen Instituten suchte deshalb nach einem Weg, dieser sich aufbauenden Flut Herr zu werden. Im Rahmen des Forschungsprojekts „Industrielle Demontage von Batterien“, kurz: DeMoBat, koordiniert vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, sollte einen universellen Ansatz liefern, der sich für alle Arbeitsschritte und Batterietypen eignet.

Auf dem Weg zum Second Life

Zentrale Aufgabe des Projekts war es, Batteriezellen sortenrein zu demontieren und zu prüfen, ob sie noch gut genug sind für eine direkte Wiederverwendung. Auf diesem Wege sollen dereinst Second-Life-Batterien aus genutzten Komponenten entstehen. Sollten sich die gebrauchten Komponenten nicht mehr eignen, dann sollen wenigstens noch ihre chemischen Bestandteile aufbereitet werden. Schließlich enthalten ausgediente Batterien weiterhin eine ganze Reihe nutzbarer Rohstoffe wie Nickel, Kobalt, Mangan oder Lithium. Um jedoch an sie heranzukommen, muss man das Bauteil erst einmal auseinandernehmen. Leitungen, Kabel, Stecker, Dichtungen, Schrauben, Batteriezellen, elektronische Komponenten und Halterungen, das alles muss demontiert werden.

Für Lorenz Halt von der Abteilung Roboter- und Assistenzsysteme am Fraunhofer IPA, der für diesen Teil des Forschungsprojekts verantwortlich ist, bestand die besondere Herausforderung darin, dass kein Arbeiter, sondern ein Industrieroboter diese Arbeiten übernehmen sollte. Als besondere Herausforderung erweist sich dabei die Tatsache, dass Autobatterien für Elektrofahrzeuge nicht genormt sind. Aus diesem Grund stecken in verschiedenen Automarken, ja manchmal sogar in verschiedenen Modellen ein und desselben Herstellers andere Stromspeicher. Aus diesem Grund muss ein Roboter-Demontagesysteme sehr flexibel sein. Halt spricht deshalb in diesem Zusammenhang von einer Art „Schweizer Taschenmesser“.

Roboter schraubt und fräst das Gehäuse auf

Als Arbeitsplatte dient dem Roboter ein zwei mal drei Meter großer Tisch mit einem flexiblen Spannsystem, das in der Lage ist, jeden Akku fest zu greifen. Dort öffnet der Roboter dann zunächst den Deckel der Batterie, indem er die Schrauben aufdreht. Eine „intelligente“ Bildverarbeitung weist ihm dabei den Weg. Dass das nicht immer klappt, liegt daran, dass nach zehn Jahren bei Wind und Wetter manche Schraube korrodiert ist und sich nicht mehr lösen lässt. Dank maschinellem Lernen erkennt der Roboter jedoch frühzeitig, ob er im jeweiligen Fall mit dem Schraubenzieher ans Ziel kommt oder nicht doch zur Fräse greifen muss.

»Natürlich könnte er auch sofort fräsen«, erläutert Halt, »aber das ist nicht die optimale Strategie, weil dabei Metallspäne anfallen, die zu einem Kurzschluss und letztlich zu einem Brand der Batterie führen könnten«. Aber auch für solche Fälle wäre die Anlage gerüstet: Bricht ein Feuer aus, räumt ein Schieber resolut sämtliche Teile, die auf dem Arbeitstisch liegen, in ein Löschbad.

Erster Demonstrator schon in diesem Herbst

Doch wie bei den Schrauben steckt auch anderswo bei der Demontage und dem sortenreinen Recycling ausgedienter Elektroauto-Batterien der Teufel im Detail. So mussten Halt und sein Team zahlreiche Probleme lösen und neue Werkzeuge entwickeln. So dient eine Art Dosenöffner dazu, Dichtungen zu lösen. Und für das Herausheben der einzelnen Batteriezellen, die verklebt sind, haben die beteiligten Fachleute eine Art Mini-Wagenheber entwickelt. Einfallsreichtum war auch beim Hantieren mit Kabeln und Stecker nötig, die sich nur schwer greifen lassen.

DeMoBat hat als Forschungsprojekt drei Jahre Laufzeit. Aktuell ist gerade Halbzeit. Doch die Zwischenbilanz ist schon einmal vielversprechend. So wird schon in diesem Herbst ein erster Demonstrator der Roboterzelle zu sehen sein. »Künftig möchten wir auch Lösungen entwickeln, die es ermöglichen, die zurückgewonnenen und noch intakten Bestandteile einer Batterie für einen weiteren Lebenszyklus aufzubereiten und wieder zu einem neuen System zusammenzuführen«, kündigt Projektleiter Max Weeber für den weiteren Verlauf des Forschungsprojekts an.