Welche Herausforderungen gibt es beim Thema Batterietechnologien allgemein?

Batterietechnologien stehen vor einer Vielzahl von Herausforderungen, die den gesamten Lebenszyklus von der Herstellung über die Nutzung bis hin zum Recycling umfassen. Diese Herausforderungen sind oft multidisziplinär und erfordern Innovationen in Technik, Prozessen und Regulierung.

Herausforderungen im Batteriezell-Fertigungsprozess.

Der Batteriezell-Fertigungsprozess umfasst vier Hauptphasen, jede mit spezifischen Schwierigkeiten:

I. Herausforderungen im Batteriezell-Fertigungsprozess

II. Herausforderungen beim Batterie-Recycling-Prozess 

III. Herausforderungen bei der Wiederverwendung (Second Life) 

IV. Übergreifende Herausforderungen

I. Herausforderungen im Batteriezell-Fertigungsprozess.

Der Batteriezell-Fertigungsprozess umfasst vier Hauptphasen, jede mit spezifischen Schwierigkeiten:

1. Elektrodenherstellung:

Materialmischung und -verarbeitung: Es können Agglomerate entstehen, die Schlitzdüsen verstopfen, sowie Lufteinschlüsse oder unzureichende Entgasung während des Mischvorgangs. Zudem ist die Konsistenz des Schlamms im Labor- und Produktionsmassstab schwer zu erreichen, was zu Beschichtungsfehlern führen kann.

Beschichtung und Trocknung: Kontamination aus der Umgebung oder vorgelagerten Prozessen stellt ein Risiko dar. Ungleichmässiges Trocknen kann zu Bindemittelmigration oder Oberflächenrissen führen. Aggressives Trocknen kann die Elektrodenintegrität beeinträchtigen.

Kalandrieren und Schneiden: Die Kompression kann bei unbeschichteten Zonen zu ungleichmässiger Dichte führen. Beim Schneiden (Slitting) trockener, spröder Beschichtungen entsteht feiner Staub, der Elektroden und Geräte kontaminieren kann, was das Risiko von Kurzschlüssen oder Ausrichtungsproblemen erhöht.

Vakuumtrocknung: Eine übermässige Trocknung kann dazu führen, dass die beschichteten Elektrodenschichten spröde werden.

2. Zellmontage:

Präzision und Automatisierung: Erfordert eine hochpräzise Ausrichtung der Anoden-, Kathoden- und Separatorfolien, um interne Kurzschlüsse und eine reduzierte aktive Elektrodenoberfläche zu vermeiden. Ein hoher Automatisierungsgrad ist für Qualität und Konsistenz unerlässlich.

Umweltbedingungen: Eine Trockenraumumgebung ist entscheidend, um Feuchtigkeitskontamination zu verhindern.

Verpackung: Die empfindliche Pouch-Folie kann während der Verpackung leicht beschädigt werden (Kratzer, Falten, Einstiche), was die Dichtigkeit beeinträchtigen und zu Lecks oder Kurzschlüssen führen kann.

Elektrolytbefüllung: Während des Elektrolytbefüllprozesses müssen Feuchtigkeit und Luftkontamination strikt vermieden werden, da diese die Zellleistung, Lebensdauer und Sicherheit beeinträchtigen können.

3. Zellveredelung (Cell Finishing):

Komplexität und Kosten: Die Zellveredelung ist eine kritische Abfolge aktiver Prozesse, die bis zu 30 % der gesamten Zellproduktionskosten und -zeit ausmachen kann. Ihre Komplexität ergibt sich aus dem Zusammenspiel von Materialwahl, Zelldesign und präzisen elektrochemischen Bedingungen.

Vorbehandlung: Winzige Luftblasen oder gelöste Gase können die Benetzung des Elektrolyten verhindern und die anfänglichen elektrochemischen Reaktionen beeinträchtigen. Eine ungleichmässige Elektrolytsättigung, insbesondere in dicken Elektroden, kann zu Lithium-Plating und Leistungseinbussen führen.

Formation: Der Formierungsprozess ist zeit- und energieintensiv. Zu hohe Ladeströme können Lithium-Plating verursachen, was zu dauerhaftem Kapazitätsverlust und erhöhten Sicherheitsrisiken führt.

Alterung und End-of-Line-Tests: Das Gleichgewicht zwischen gründlicher Qualitätssicherung und hohem Produktionsdurchsatz ist eine Herausforderung, da lange Alterungszeiten und detaillierte elektrische Tests Engpässe verursachen können.

4. Betriebliche Infrastruktur:

Lösungsmittelrückgewinnung: Batteriefertigungsanlagen müssen strenge Emissionsstandards für flüchtige organische Verbindungen (VOCs) einhalten, wie z.B. bei der Rückgewinnung von NMP. Die Aufbereitung von Abfallnebenprodukten und die Vermeidung von Wasserkontamination sind ebenfalls wichtige Herausforderungen.

Rein- und Trockenräume: Die Aufrechterhaltung extrem niedriger Luftfeuchtigkeit (oft unter 1 % RH) ist entscheidend, aber energieintensiv und anfällig für Feuchtigkeitseintritt aus verschiedenen Quellen.

Logistik: Eine sichere, effiziente und qualitativ hochwertige Batteriezellproduktion erfordert ein präzises Management des Materialflusses über die gesamte Wertschöpfungskette, einschliesslich des Umgangs mit sensiblen Komponenten, Abfallströmen und der Einhaltung von Gefahrgutvorschriften.

II. Herausforderungen beim Batterie-Recycling-Prozess.

Der Recyclingsektor wird als "Wild West" beschrieben, der unstrukturiert und sich schnell entwickelnd ist. Die Herausforderungen sind vielfältig:

1. Sammlung und Transport:

Regulierungsdschungel: Der Transport von Batterien ist teuer und kompliziert aufgrund unterschiedlicher Definitionen von Abfall und Gefahrgut sowie regionaler Vorschriften.

Batteriezustand: Die ordnungsgemässe Bewertung des "State of Health" (SOH) der Batterien vor dem Transport ist entscheidend, um die weitere Verwendung (z.B. Second Life) oder das Recycling zu bestimmen.

Sicherheitsrisiken: Unsachgemässer Transport birgt Risiken wie Leckagen, Kurzschlüsse oder Brände.

2. Eingangsinspektion und Lagerung:

Fehlende Informationen: Oftmals sind Batterien nicht richtig gekennzeichnet, was die Identifizierung von Chemie und SOH erschwert.

Manuelle Prozesse: Viele Recyclinganlagen verlassen sich noch auf manuelle Arbeitsabläufe bei der Inspektion und Sortierung.

Sicherheitsrisiken: Eine falsche Einschätzung des Sicherheitszustands kann zu Brandgefahren und thermischem Durchgehen führen. Die Lagerung erfordert temperaturkontrollierte, feuerbeständige und separat gehaltene Bereiche für verschiedene Batterietypen.

3. Entladung und Demontage:

Energiefreisetzung: Die Restenergie in EV-Batterien muss eliminiert werden, um Sicherheitsrisiken zu vermeiden.

Prozessabhängigkeit: Die Notwendigkeit der Entladung hängt von der verwendeten Schreddermethode ab (Nass- oder Trockenschreddern).

Heterogenität: Die Vielfalt der Pack-, Modul- und Zelldesigns erschwert automatisierte Demontagelösungen.

4. Materialtrennung (Mechanisches Recycling):

Schwarzmassenqualität: Die Aufrechterhaltung einer hohen Qualität der "Schwarzmasse" (ein Gemisch wertvoller Materialien nach dem Schreddern) ist entscheidend. Eine Trennung nach Chemie und Anwendung ist hierbei unerlässlich, um Kreuzkontaminationen zu vermeiden.

Effizienz: Eine effiziente Elektrolytentfernung mit minimalem Energieverbrauch ist eine Herausforderung. Brandgefahren während des Schreddervorgangs müssen durch Entladung oder Kühlmedien verhindert werden.

Ökologischer Fussabdruck: Die Einhaltung von Emissionsgrenzwerten gemäss der Industrieemissionsrichtlinie ist für Anlagen über 75 Tonnen Tageskapazität erforderlich.

5. Materialrückgewinnung aus Schwarzmasse:

Technologie-Skalierung: Hydrometallurgische und pyrometallurgische Methoden sind in Europa und den USA noch nicht flächendeckend etabliert; Effizienz, Skalierbarkeit und Umweltauswirkungen werden angezweifelt.

Asiens Dominanz: Asien, insbesondere China, ist führend in der Schwarzmasseverarbeitung, was eine Abhängigkeit für die Materialrückgewinnung in den USA und Europa schafft. Es besteht ein kritischer Bedarf an lokaler Infrastruktur.

Reinheitsstandards: Recycelte Materialien müssen anspruchsvolle Reinheitsstandards erfüllen, um in neuen Batterien verwendet werden zu können.

LFP-Recycling: LFP-Batterien sind aufgrund des Fehlens hochpreisiger Metalle wie Kobalt und Nickel weniger attraktiv für traditionelles Recycling, was die Entwicklung wirtschaftlich tragfähiger Prozesse erfordert.

Direktrecycling: Vielversprechend für Produktionsausschuss, aber begrenzt für End-of-Life-Batterien aufgrund von Verunreinigungen.

III. Herausforderungen bei der Wiederverwendung (Second Life).

Die Wiederverwendung von EV-Batterien für stationäre Energiespeichersysteme oder andere Anwendungen birgt eigene Herausforderungen.

Bewertung des Batteriezustands: Es ist schwierig, den genauen Gesundheitszustand (SOH) der Batterien zu bestimmen, der über die reine Kapazität hinausgeht und alle Degradationsfaktoren umfasst.

Wirtschaftlichkeit: Zusätzliche Kosten für Screening, Modifikationen, Reparaturen oder Wiederaufbereitung können die Kosten einer neuen, zweckgebundenen Batterie übersteigen.

Fehlende Standardisierung: Batterien werden für den Ersteinsatz konzipiert; das Design für Second-Life-Anwendungen ist schwierig und mit hohen Kosten verbunden.

Zertifizierung und Haftung: Wiederverwendete Batterien müssen die Sicherheits- und Leistungsanforderungen der neuen Anwendung erfüllen. Die Haftungsfrage bei einem Ausfall ist komplex und kann mehrere Parteien betreffen (Originalhersteller, Wiederverwertungsunternehmen, Endverbraucher).

Regulierungsdilemma: Mandate für recycelte Materialien in neuen Batterien (wie in der EU) könnten Initiativen zur Wiederverwendung entgegenwirken.

IV. Übergreifende Herausforderungen

Mangel an Standardisierung: Das gesamte Batterie-Ökosystem ist von einer grossen Vielfalt an Designs geprägt, es gibt keine klare Tendenz zur Standardisierung von Packs, Modulen oder Zellen.

Regulatorischer Rahmen: Der sich schnell entwickelnde Sektor erfordert einen robusten Regulierungsrahmen für Sicherheit, Umweltschutz und fairen Wettbewerb. Die Vorschriften sind komplex, ändern sich, und die Genehmigungszeiten können lang sein.

Datenaustausch und Rückverfolgbarkeit: Fehlende oder beschädigte Etiketten erschweren die Identifizierung der Batteriezusammensetzung. Batterie-Passports und digitale Rückverfolgbarkeit sollen hier Abhilfe schaffen und sind eine kommende Anforderung.

Umweltauswirkungen: Die Rohstoffbeschaffung und intensive Energienutzung sowie der Einsatz von Industriechemikalien und Wasser sind grosse Umwelt-Hotspots in der Batterie-Wertschöpfungskette.

Insgesamt erfordert die Navigation in der Batterietechnologiebranche kontinuierliches Lernen, Anpassungsfähigkeit und interdisziplinäre Zusammenarbeit, um die Herausforderungen zu bewältigen und eine nachhaltige Elektrifizierung zu fördern.

Welche Herausforderungen gibt es beim Thema Battery Recycling?

Die Electrification Academy identifiziert zahlreiche Herausforderungen im Battery Recycling Process, der sich als komplexes und sich schnell entwickelndes Feld darstellt. Diese Herausforderungen erstrecken sich über den gesamten Lebenszyklus der Batterie – von der Sammlung bis zur Materialrückgewinnung.

Im Folgenden werden die Hauptschwierigkeiten und -engpässe detailliert aufgeführt:

1. Sammlung und Transport von Batterien

Komplexität durch Abfalleinstufung: Die Einstufung von Batterien als Abfall führt zu unterschiedlichen Regeln und Standards je nach Region oder Land, was den Transport über Grenzen hinweg hochkomplex macht. Die Vorschriften aus der EU werden in Nordamerika angepasst.

Hohe Kosten und Gefahren: Der Transport von Batterien ist teuer und kann bei unsachgemässer Handhabung zu Leckagen, Kurzschlüssen oder Bränden führen. Batterien gelten als Gefahrgut und erfordern spezielle Handhabung, Transportmethoden und Dokumentation.

Fehlende Bewertung: Eine frühzeitige und korrekte Bewertung der Batterien vor der Klassifizierung als Abfall ist entscheidend, um Komplikationen zu vermeiden und potenzielle Möglichkeiten zur Wiederverwendung zu identifizieren.

2. Eingangsprüfung und Lagerung

Unzureichende Identifizierung: Häufig fehlen an den Batterien Etiketten oder es gibt keine klaren Informationen über ihre Chemie oder ihren Gesundheitszustand (State of Health – SOH). Dies erschwert die sichere Handhabung, Lagerung und die Auswahl des geeigneten Recyclingverfahrens.

Sicherheitsrisiken: Eine falsche Einschätzung des Sicherheitszustands kann zu Brandgefahren und thermischem Durchgehen führen. Lagerbereiche müssen entsprechend ausgestattet und überwacht werden.

Manuelle Prozesse und fehlende Standardisierung: Viele Recyclinganlagen verlassen sich noch auf manuelle Arbeitsabläufe, da grossflächige automatisierte Sortierlösungen für EV-Batteriepakete und -module nicht weit verbreitet sind. Es mangelt an standardisierten Diagnosewerkzeugen und Verfahren.

Entscheidungskomplexität: Die grosse Vielfalt an Batteriechemien, Formfaktoren und Zuständen (z.B. beschädigt vs. intakt) erschwert die Lagerentscheidungen erheblich.

Kreuzkontamination: Es ist zwingend erforderlich, verschiedene Batterietypen und -chemien getrennt zu lagern, um Kreuzkontaminationen und gefährliche Wechselwirkungen zu vermeiden.

3. Entladen und Demontieren von EV-Batterien

Entscheidungsfindung: Die Notwendigkeit des Entladens und Demontierens hängt stark vom SOH der Batterie, der gewählten Recyclingmethode und den Transportvorschriften ab.

Sicherheitsbedenken: Restenergie in Batterien birgt weiterhin Sicherheitsrisiken wie Kurzschlüsse oder thermisches Durchgehen. NMC-Batterien haben ein höheres thermisches Risiko als LFP-Batterien.

Mangelnde Automatisierung: Insbesondere in Nordamerika wird das Zerlegen von Batterien noch überwiegend manuell durchgeführt.

Energieverwertung: Während des Entladevorgangs wird viel Energie freigesetzt, die idealerweise zurückgewonnen und wiederverwendet werden sollte.

4. Materialtrennung und mechanisches Recycling

Qualität der Black Mass: Das Mischen unterschiedlicher Batterietypen oder -chemien kann die Qualität der sogenannten "Black Mass" (das zerkleinerte Material) erheblich beeinträchtigen und zu Verunreinigungen führen, die die Materialrückgewinnung erschweren. Nasszerkleinerung kann ebenfalls zu geringerer Black Mass-Qualität führen.

Effiziente Elektrolytentfernung: Die effiziente Entfernung des Elektrolyten mit minimalem Energieverbrauch ist eine Herausforderung. Es bedarf geeigneter Trocknungstechnologien, um ein Gleichgewicht zwischen Effizienz und Energieeinsparung zu finden.

Brandgefahren beim Zerkleinern: Um Brände während des Zerkleinerungsprozesses zu verhindern, ist entweder eine vorherige Entladung der Batterie oder der Einsatz eines Kühlmediums (z.B. Wasser, kryogenes Zerkleinern) erforderlich.

5. Materialrückgewinnung aus der Black Mass

Asiens Dominanz: Die meisten fortschrittlichen Materialrückgewinnungstechnologien sind in Asien, insbesondere in China, angesiedelt. Dies führt zu einer starken Abhängigkeit der USA und Europas vom Export von Black Mass für die weitere Verarbeitung.

Engpässe bei der Hydrometallurgie: In Europa gibt es ein Überangebot an mechanischer Recyclingkapazität, während die hydrometallurgische Verarbeitung (Extraktion und Reinigung von Rohmaterialien) ein Engpass bleibt. Hydrometallurgische Prozesse sind mit toxischen Chemikalien, hohem Wasserverbrauch und Umweltauswirkungen verbunden.

Nachteile der Pyrometallurgie: Pyrometallurgische Verfahren sind energieintensiv und führen zum Verlust von wertvollen Materialien wie Lithium, Graphit und Kunststoffen.

Wirtschaftlichkeit des LFP-Recyclings: LFP-Batterien sind aufgrund des Fehlens hochpreisiger Metalle wie Kobalt und Nickel finanziell weniger attraktiv für das Recycling. Die Entwicklung wirtschaftlich tragfähiger Prozesse ist eine grosse Herausforderung.

Grenzen des Direkten Recyclings: Direkte Recyclingverfahren sind aufgrund von Verunreinigungen in End-of-Life-EV-Batterien begrenzt und hauptsächlich für Produktionsschrott geeignet.

Reinheitsstandards: Recycelte Materialien müssen extrem hohe Reinheitsstandards erfüllen, um in neuen Batterien wiederverwendet werden zu können, was angesichts der vielfältigen Batteriechemien eine Herausforderung darstellt.

6. Allgemeine Herausforderungen der Branche

„Wildwest“-Charakter: Die Batterie-Recyclingbranche wird als unstrukturiert, sich schnell entwickelnd und weit entfernt von einer Konsolidierung beschrieben.

Multidisziplinäre Komplexität: Batterierecycling erfordert ein breites Spektrum an Fachwissen aus den Bereichen Leistungselektronik, Elektrotechnik, Chemie und Physik.

Fehlende Standardisierung: Der Mangel an einer gemeinsamen Sprache und einem gemeinsamen Verständnis in der Branche erschwert die Kommunikation und die Zusammenarbeit.

Regulierungsrahmen und Genehmigungsverfahren: Der Regulierungsrahmen ist noch im Aufbau und muss mit der technologischen Entwicklung Schritt halten. Lange Genehmigungszeiten, wie beispielsweise drei Jahre in Australien, sind eine Hürde für Unternehmen, die Recyclinganlagen errichten wollen.

Skalierung von Pilotprojekten: Der Übergang von Pilotprojekten zu kommerziellen Grossbetrieben erfordert sorgfältige Planung und skalierbare Schritte, um kostspielige Fehler und Überkapazitäten zu vermeiden.

Kontinuierliche Lernkurve: Viele Unternehmen lernen noch "on the job", da die Branche noch in den Kinderschuhen steckt. Dies erfordert hohe Anpassungsfähigkeit an neue Technologien wie Festkörper- oder Natrium-Ionen-Batterien.

Welche Herausforderungen gibt es beim Thema Battery Cell Manufacturing?

Die Electrification Academy beschreibt den Batteriezellfertigungsprozess als ein komplexes Unterfangen mit zahlreichen Herausforderungen in seinen vier Hauptphasen: der Elektrodenherstellung, der Zellmontage, der Zellveredelung und der betrieblichen Infrastruktur. Im Folgenden sind die Herausforderungen für jede Phase aufgeführt:

1. Herausforderungen bei der Elektrodenherstellung:

Schlammherstellung und Beschichtung:

• Lufteinschlüsse oder unzureichende Entgasung während des Mischvorgangs.
• Agglomerate, die die Schlitzdüse verstopfen.
• Verunreinigungen aus der Umgebung oder vorgelagerten Prozessen.
• Unterschiede im Verhalten von Schlämmen im Labormassstab und in kommerziellen Produktionsumgebungen erschweren die Skalierung.
• Inkonsistente Schlammeigenschaften bei der Hochskalierung können zu Beschichtungsfehlern, Bindemittelwanderung und Elektrodenausschuss führen, was die Ausbeute reduziert und die Produktionskosten erhöht.
• Ein zu dicker Schlamm kann den Coater verstopfen, während ein zu dünner Schlamm zu ungleichmässiger Verteilung und Beschichtungsfehlern führt.

Trocknung:

• Ungleichmässige Trocknung verursacht Bindemittelwanderung oder Oberflächenrisse.
• Nicht-einheitliche Trocknung führt zu regionalen Unterschieden in Porosität, Dichte, Bindemittelverteilung und Haftung, was die Zell-zu-Zell-Viskosität beeinträchtigt.
• Übermässig aggressive oder schlecht kontrollierte Trocknung kann zu Rissen, Blasenbildung und Bindemittelwanderung führen, was die Elektrodenintegrität und Batterieleistung beeinträchtigt.

Kalandrierung:

• Ungleichmässige Kompression zwischen beschichteten und unbeschichteten Bereichen kann zu Faltenbildung, Dehnung oder Kantenverzerrung führen und die Tab-Ausrichtung und das Schweissen bei der Zellmontage erschweren. 

Schlitzen:

• Feiner Staub, der beim Schlitzen von trockenen, spröden Beschichtungen entsteht, kann Elektroden und Ausrüstung kontaminieren und das Risiko von Tab-Schweissfehlern oder internen Kurzschlüssen erhöhen.
• Raue Kanten durch ungenaues Schneiden können Kurzschlüsse, Materialabrieb oder Ausrichtungsprobleme während der Zellmontage verursachen.

Vakuumtrocknung:

• Übermässige Trocknung kann dazu führen, dass die beschichteten Elektrodenschichten, insbesondere an den Kanten, Risse bekommen oder spröde werden, was die Handhabung bei der Montage erschwert und die mechanische Belastung in der fertigen Zelle erhöht.

2. Herausforderungen bei der Batteriezellmontage:

Präzise Ausrichtung der Anoden-, Kathoden- und Separatorblätter ist entscheidend, da ungenaue Ausrichtung interne Kurzschlüsse und eine reduzierte aktive Elektrodenoberfläche verursachen kann.

Die Umgebung muss ein Trockenraum sein, um Feuchtigkeitskontamination zu verhindern.

Erfordert hohe Automatisierungsgrade, um Qualität und Konsistenz zu gewährleisten.

Beim Schneiden ist es wichtig, präzise, wiederholbare Abmessungen zu erreichen und die Kantenintegrität der Elektrode zu bewahren, da unpräzise Werkzeuge zu Hitzestellen oder ausgefransten Kanten führen können.

Beim Kontaktieren ist die genaue Ausrichtung der Stromabnehmerlasche mit den freiliegenden Kanten der Elektrodenfolien von entscheidender Bedeutung, um unzuverlässige Schweissnähte, erhöhten Widerstand oder physische Schäden zu vermeiden.

Pouch-Folien sind empfindlich und können während der Verpackung leicht beschädigt werden (Kratzer, Falten, Einstiche), was die Versiegelung beeinträchtigt und zu Lecks oder Kurzschlüssen führen kann.

Elektrolytbefüllung muss Feuchtigkeits- und Luftkontamination strikt vermeiden, da Feuchtigkeit mit LiPF₆ reagiert und schädliches HF bildet, während Sauerstoff Nebenreaktionen auslösen kann, was die Zellleistung und -sicherheit beeinträchtigt.

3. Herausforderungen bei der Batteriezellveredelung (Cell Finishing):

Komplexität durch das Zusammenspiel von Materialwahl, Zelldesign und präzisen elektrochemischen Bedingungen (Ladeströme, Spannungen, Dauern und Temperaturen) während dieser sensiblen Prozessschritte.

Vorbehandlung:

• Sicherstellung, dass der Elektrolyt die poröse Struktur von Anode, Kathode und Separator vollständig und gleichmässig benetzt, ist kritisch, aber herausfordernd.
• Unvollständige oder ungleichmässige Benetzung kann zu ungleichmässiger Stromverteilung, lokaler Lithiumplattierung, inkonsistenter SEI-Bildung, schlechter Zellleistung, reduzierter Lebensdauer und beeinträchtigter Sicherheit führen.
• Winzige Luftblasen oder gelöste Gase, die in der Zelle eingeschlossen sind, können Elektrolytpfade blockieren und die anfänglichen elektrochemischen Reaktionen behindern.
• Mechanische Techniken wie Vibrationen oder sanfter Druck zur Entfernung von Blasen erhöhen die Prozesskomplexität.
• Die gleichmässige Elektrolytsättigung in dicken Elektroden ist schwierig, insbesondere in grossen Zellen, da trockene Stellen das Risiko von Lithiumplattierung und reduzierter Leistung bergen.
• Die Dauer der Vorbehandlung kann Stunden bis Tage in Anspruch nehmen, was die Produktion verlangsamt und den Lagerbestand erhöht.

Formierung:

• Das Verfahren ist zeitintensiv, da es typischerweise niedrige C-Raten (langsame Lade-/Entladegeschwindigkeiten) verwendet, um ein kontrolliertes SEI-Wachstum zu fördern.
• Es verbraucht während des Formierungsprozesses eine erhebliche Menge an Energie.
• Gase wie Ethylen und Kohlendioxid, die während der SEI- und CEI-Bildung entstehen, müssen später entfernt werden, insbesondere bei grossformatigen Zellen.
• Zu hohe Ladeströme, insbesondere bei niedrigen Temperaturen oder unvollständiger Elektrolytbenetzung, können zu Lithiumplattierung auf der Anodenoberfläche führen, was zu dauerhaftem Kapazitätsverlust, Verbrauch von aktivem Lithium und erhöhten Sicherheitsrisiken (Dendriten, interne Kurzschlüsse) führen kann.

Alterung & End-of-Line (EOL)-Tests:

• Das Gleichgewicht zwischen gründlichen Qualitätstests und hohem Produktionsdurchsatz ist eine zentrale Herausforderung.
• Lange Alterungszeiten zur Erkennung von Selbstentladung verbrauchen wertvolle Zeit, Platz und Lagerbestand.
• Detaillierte elektrische Tests an jeder Zelle erfordern umfangreiche EOL-Testkanäle, die oft zu Engpässen führen.

4. Herausforderungen bei der betrieblichen Infrastruktur:

Lösungsmittelrückgewinnung:

• Die Einhaltung strenger Emissionsstandards für flüchtige organische Verbindungen (VOC) erfordert effiziente NMP-Rückgewinnungstechnologien.
• Die Entsorgung von Abfallnebenprodukten (Verunreinigungen aus der NMP-Reinigung durch Destillation) erfordert ein verantwortungsvolles Management.
• Die Beseitigung von Wasserkontamination (NMP ist hygroskopisch) ist von grösster Bedeutung, da Feuchtigkeit die chemische Integrität und Leistung von Lithium-Ionen-Batterien ernsthaft beeinträchtigen kann.
• Die Sicherstellung der Reinheit des zurückgewonnenen NMP auf elektronische Qualität (Entfernung von Wasser, Metallpartikeln) ist entscheidend für die Qualität, Sicherheit und Haltbarkeit der Batterie.

Reinst- und Trockenräume:

• Die Aufrechterhaltung einer extrem niedrigen Luftfeuchtigkeit in Trockenräumen ist aufgrund mehrerer Feuchtigkeitsquellen (Frischluft, Personal, Material, Ausrüstung, häufige Schleusennutzung und allmähliche Permeation durch Wände und Dichtungen) schwierig.
• Trockenräume gehören zu den energieintensivsten Bereichen einer Batteriefabrik, da die kontinuierliche Nutzung von Hochleistungs-Luftentfeuchtern und Chiller-Systemen einen erheblichen Bedarf an elektrischer und thermischer Energie verursacht.

Logistik:

• Die Handhabung von Rohmaterialien (Auspacken, Inspizieren, Umpacken) muss Partikelkontamination verhindern.
• Temperatur- und feuchtigkeitsempfindliche Komponenten müssen richtig akklimatisiert werden.
• Die interne Logistik erfordert ein hohes Mass an Sauberkeit, Rückverfolgbarkeit und Sorgfalt, insbesondere während sensibler Formierungs- und Alterungsphasen.
• Abfallströme müssen sorgfältig getrennt und gemäss Sicherheits- und Umweltvorschriften entsorgt werden.
• Die Ausgangslogistik erfordert eine sichere Verpackung und den Versand der fertigen Zellen in voller Übereinstimmung mit Transport- und Sicherheitsvorschriften (Gefahrguttransporteure, Kennzeichnung, Dokumentation).

Welche Herausforderungen gibt es beim Thema Sammlung & Transport?

Die Sammlung und der Transport gebrauchter Batterien sind die ersten und entscheidenden Schritte in ihrem Lebenszyklus nach der Nutzung. Obwohl sie oft übersehen werden, sind diese Phasen von grundlegender Bedeutung für die Sicherheit, Effizienz und Nachhaltigkeit des gesamten Batterie-Ökosystems. Sie stellen jedoch eine Reihe komplexer Herausforderungen dar.

1. Komplexer Regulierungsrahmen und hohe Kosten.

Problem: 

Der Transport von Batterien ist teuer und oft kompliziert. Dies liegt an unterschiedlichen Definitionen von Abfall und Gefahrgut sowie an regionalen Vorschriften. Sobald eine Batterie als Abfall eingestuft wird, kann es in der EU schwierig sein, diesen Prozess umzukehren, was spezielle Genehmigungen erfordert. Import- und Exportvorgänge müssen gut dokumentiert sein und bedürfen teilweise der Genehmigung von Behörden. Insbesondere in Nordamerika ist die Sammlung und Logistik ein "am stärksten unterversorgter Bereich" der Recycling-Wertschöpfungskette.

Lösung/Ansatz:

Die EU arbeitet an der Harmonisierung von Abfallschlüsseln und Zwischenmaterialien, um den grenzüberschreitenden Transport in Europa zu vereinfachen und effizienter zu gestalten.

Ein robuster Regulierungsrahmen ist entscheidend, um Sicherheit, Umweltschutz und fairen Wettbewerb zu gewährleisten. Unternehmen müssen sich proaktiv an regionalspezifische Regeln (EU, USA, China) anpassen.

Die Einführung der erweiterten Herstellerverantwortung (EPR) im Rahmen der EU-Batterieverordnung macht OEMs und Importeure finanziell und operativ für die Sammlung, das Recycling und die Berichterstattung über Batterieabfälle verantwortlich.

Lokale Verarbeitungszentren können dazu beitragen, die Transportkosten und die regulatorische Komplexität zu reduzieren, indem Batterien näher an ihren Sammelstellen verarbeitet werden.

2. Ungenauer Batteriezustand und fehlende Informationen.

Problem: 

Eine genaue Bewertung des Gesundheitszustands (State of Health, SOH) der Batterien vor dem Transport ist entscheidend, um zu entscheiden, ob sie für eine Wiederverwendung (Second Life) oder das Recycling geeignet sind. Es gibt jedoch keine offiziellen Richtlinien für diese Bewertung, und die Branche verwendet verschiedene, oft manuelle Methoden. Batterien sind häufig nicht richtig gekennzeichnet, wodurch die Bestimmung der Chemie und des SOH erschwert wird. Dies verlangsamt die Verarbeitung und erhöht das Risiko, inkompatible Materialien zu mischen. SOH umfasst dabei nicht nur die verbleibende Kapazität, sondern alle Degradationsfaktoren.

Lösung/Ansatz:

Eine frühzeitige und präzise Bewertung des Batteriezustands ist wichtig, um die Einstufung als Abfall zu vermeiden und das Potenzial für die Wiederverwendung zu nutzen.

Schnelle Indikatoren wie Leerlaufspannung (OCV) und Innenwiderstand können als erste Einschätzung dienen. Präzisere Techniken umfassen die Kapazitätsschätzung, Lade-Entlade-Tests oder die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS).

Digitale Batterie-Pässe und Rückverfolgbarkeitssysteme sind eine kommende Anforderung, die detaillierte Informationen über Chemie, Kohlenstoff-Fussabdruck, Herkunft und End-of-Life-Status jeder Batterie liefern sollen.

3. Erhebliche Sicherheitsrisiken.

Problem: 

Unsachgemässer Transport birgt erhebliche Risiken wie Leckagen, Kurzschlüsse oder Brände. Eine falsche Einschätzung des Sicherheitszustands kann zu Brandgefahren und thermischem Durchgehen führen. In den letzten Jahren kam es vermehrt zu Unfällen, wie beispielsweise explodierenden Containern auf Autobahnen, die Sachschäden und Lebensgefahr verursachen können. Die Restenergie in EV-Batterien muss vor dem Transport oder der weiteren Verarbeitung eliminiert werden, um solche Risiken zu minimieren.

Lösung/Ansatz:

Angemessene Verpackung, Kennzeichnung und vorsichtige Handhabung sind unerlässlich, um Gefahren beim Transport zu vermeiden.

DDR-Batterien (beschädigte, defekte oder zurückgerufene) erfordern spezielle kundenspezifische Verpackungen für einen sicheren Transport.

Das Personal muss in Brandbekämpfungsverfahren geschult werden, und Notfallpläne sind wichtig.

Die kontrollierte Entladung der Restenergie in EV-Batterien ist notwendig, um Sicherheitsrisiken zu vermeiden. Die dabei freigesetzte Energie kann sogar zurückgewonnen und wiederverwendet werden, was den Prozess nachhaltiger macht.

Lokale Verarbeitungsstätten können lange Transportwege von Gefahrgut vermeiden, was das Risiko von Transportunfällen reduziert.

4. Umweltauswirkungen.

Problem: 

Die Beschaffung von Rohmaterialien ist ein Hauptverursacher von Umweltauswirkungen in der gesamten Batterie-Wertschöpfungskette. Eine unsachgemässe Handhabung von Batterien am Ende ihrer Lebensdauer kann aufgrund ihrer toxischen und brennbaren Materialien Umweltgefahren darstellen.

Lösung/Ansatz:

Ein ordnungsgemässes Sammeln und Transportieren ist entscheidend für die Reduzierung der Umweltauswirkungen und die Etablierung einer funktionierenden Kreislaufwirtschaft.

Durch das Recycling können kritische Mineralien zurückgewonnen werden, wodurch der Bedarf an Primärrohstoffgewinnung reduziert wird und ein Beitrag zu einer Kreislaufwirtschaft geleistet wird.

Welche Herausforderungen gibt es beim Thema Eingangsprüfung & Lagerung?

Die Phasen der Eingangsprüfung und Lagerung gebrauchter Batterien sind entscheidend für die Sicherheit, Effizienz und Nachhaltigkeit des gesamten Recyclingprozesses. Nach der komplexen Sammlung und dem Transport stellen diese Schritte neue Hürden dar, die jedoch durch innovative Ansätze und strikte Protokolle gemeistert werden können.

1. Ungenauer Batteriezustand und fehlende Informationen.

Problem: 

Wenn Batterien in Recyclinganlagen ankommen, sind sie oft nicht richtig gekennzeichnet oder ihre Kennzeichnungen beschädigt, was die Bestimmung ihrer Chemie und ihres genauen Zustands (State of Health, SOH) erschwert. Dies führt dazu, dass Inspektions-Teams kritische Entscheidungen mit begrenzten Informationen treffen müssen. Eine genaue Bewertung des SOH ist jedoch entscheidend, um zu entscheiden, ob eine Batterie für die Wiederverwendung (Second Life) oder das Recycling geeignet ist. Da keine offiziellen Richtlinien für diese Bewertung existieren, stützt sich die Branche auf verschiedene, oft manuelle Methoden. Die Unsicherheit über die Zusammensetzung der Batterien kann den Verarbeitungsprozess verlangsamen und das Risiko erhöhen, inkompatible Materialien zu mischen.

Lösung/Ansatz:

Eine frühzeitige und präzise Bewertung des Batteriezustands ist wichtig, um die Einstufung als Abfall zu vermeiden und das Potenzial für die Wiederverwendung zu nutzen. Schnelle Indikatoren wie die Leerlaufspannung (OCV) und der Innenwiderstand können als erste Einschätzung dienen, während präzisere Techniken die Kapazitätsschätzung, Lade-Entlade-Tests oder die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) umfassen.

Digitale Batterie-Pässe und Rückverfolgbarkeitssysteme werden zunehmend zur Anforderung, um detaillierte Informationen über Chemie, Kohlenstoff-Fussabdruck, Herkunft und End-of-Life-Status jeder Batterie bereitzustellen und so die Rückverfolgbarkeit zu gewährleisten.

Der Einsatz von KI-gesteuerten Visionssystemen und Robotik kann die Effizienz und Sicherheit beim Sortieren und Demontieren von EV-Batterien verbessern, insbesondere angesichts der vielfältigen Designs von Batteriepacks, -modulen und -zellen.

Robuste Dokumentations- und Trackingsysteme wie ERP (Enterprise Resource Planning) oder MES (Manufacturing Execution System) sind unerlässlich für genaue Aufzeichnungen, die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften und das Bestandsmanagement.

Standardisierte Verfahren und fortschrittliche Inspektionswerkzeuge sind dringend erforderlich, um die Genauigkeit der Bewertung zu verbessern und die Herausforderungen der unbekannten Chemie und inkonstanten Kennzeichnung zu bewältigen.

2. Erhebliche Sicherheitsrisiken bei Lagerung und Handling.

Problem: 

Eine falsche Einschätzung des Sicherheitszustands eingehender Batterien birgt erhebliche Risiken wie Brandgefahren und thermisches Durchgehen. Ungenaue visuelle Inspektionen reichen oft nicht aus, um potenzielle Gefahren zu erkennen. Die grosse Vielfalt an Batteriechemien, Formfaktoren und Zuständen (z.B. beschädigt vs. intakt) erschwert einfache Lagerungsentscheidungen und erhöht die Komplexität des Risikomanagements. Zudem können Emissionen toxischer Chemikalien wie Elektrolyte während der Lagerung in die Umwelt gelangen.

Lösung/Ansatz:

Spezielle Lagerbereiche müssen so konzipiert sein, dass sie den individuellen Sicherheitsanforderungen jedes Batterietyps entsprechen. Dazu gehören temperaturgeregelte Umgebungen, feuerbeständige Auffangbereiche für risikobehaftete Batterien und separate Gehäuse für verschiedene Chemikalien, um Kreuzkontaminationen und gefährliche Interaktionen zu vermeiden.

Überwachungssysteme wie Wärmebildkameras, Gasdetektoren oder Ladezustandsüberwachung (State-of-Charge Monitoring) sind entscheidend für die frühzeitige Erkennung potenzieller Sicherheitsprobleme.

Umfassende Schulungen des Personals in Brandbekämpfungsverfahren und Notfallplänen, die in Zusammenarbeit mit lokalen Feuerwehren entwickelt wurden, sind unerlässlich.

Die Sortierung von Batterien nach Risikostufe und die Lagerung von Hochrisikomaterialien in sicheren Abständen zu anderen Chemikalienlagerbereichen sind weitere wichtige Sicherheitsmassnahmen.

Die Nutzung von data analytics und KI-basierten Modellen kann dazu beitragen, die Batterieleistung vorherzusagen und die Systeme für eine bessere Effizienz und längere Lebensdauer zu optimieren, was indirekt auch die Sicherheit durch besseres Risikomanagement erhöht.

3. Komplexer Regulierungsrahmen und notwendige Compliance.

Problem: 

Das Recycling und die Lagerung von Batterien sind in verschiedenen Regionen und Ländern unterschiedlich reguliert, was die Compliance erschwert. Die Anforderungen an Lagerstätten, wie undurchlässige Oberflächen und wetterfeste Abdeckungen, sowie die Trennung von brennbaren Materialien, müssen strikt eingehalten werden. Die fehlende Standardisierung der Prozesse und Qualitätskontrollmassnahmen in einer sich schnell entwickelnden Branche stellt eine Herausforderung dar. Darüber hinaus muss für Batterien, die zur Wiederverwendung oder Umnutzung vorgesehen sind, eine umfassende Dokumentation vorgelegt werden, die verifizierte SOH-Ergebnisse, eine klare Beschreibung der beabsichtigten Anwendung und den Nachweis eines sicheren Transports enthält.

Lösung/Ansatz:

Die EU-Batterieverordnung setzt verbindliche Vorschriften für die Sammlung, das Recycling und die Materialrückgewinnung fest, einschliesslich der Einführung eines Batteriepasses für die Rückverfolgbarkeit. Unternehmen müssen die regionalspezifischen Regeln (EU, USA, China) proaktiv anpassen und befolgen.

Die Waste Framework Directive (WFD) und die Industrial Emissions Directive legen weitere Regeln für die Behandlung und Lagerung von Abfällen sowie Emissionsgrenzwerte fest.

Ein datengestützter Ansatz ist entscheidend, um die Leistung und den Lebenszyklus von Batterien zu verbessern und die Einhaltung von Vorschriften zu gewährleisten. Die frühzeitige Anpassung an sich entwickelnde Compliance-Rahmenbedingungen minimiert Risiken und erschliesst langfristigen Wert.

Welche Herausforderungen gibt es beim Thema Entladung & Demontage?

Die Phasen der Entladung und Demontage gebrauchter Batterien sind kritische Schritte im Recyclingprozess. Sie schliessen an die Eingangsprüfung und Lagerung an und bereiten die Batterien auf die Materialtrennung vor. Diese Schritte sind entscheidend, um die Sicherheit zu gewährleisten, die Effizienz zu steigern und eine optimale Materialrückgewinnung zu ermöglichen.

1. Die Herausforderung der Entladung: Restenergie und Sicherheitsrisiken

Problem: 

Batterien, die in Recyclinganlagen ankommen, enthalten oft noch erhebliche Restenergie, die bei unsachgemässer Handhabung zu Kurzschlüssen, Brandgefahren oder einem thermischen Durchgehen führen kann. Die Notwendigkeit der Entladung hängt stark vom nachfolgenden Recyclingprozess ab. Insbesondere beim trockenen mechanischen Shreddern ist eine Entladung unerlässlich, da hier keine Flüssigkeitskühlung zur Risikominderung vorhanden ist. Zudem variieren die Risiken je nach Batterietyp: NMC-Batterien weisen ein höheres thermisches Risiko auf als LFP-Batterien, was eine Vorab-Entladung für NMC-Batterien vor dem trockenen Shreddern besonders wichtig macht. Einige Unternehmen führen die Entladung bereits vor dem Transport durch, um die Vorgaben zur Ladung (State of Charge, SOC) einzuhalten.

Lösung:

Prozessabhängige Entladung: Bei der nassen mechanischen Zerkleinerung kann der Bedarf an Vorab-Entladung minimiert oder sogar entfallen, da die integrierte Flüssigkeitskühlung die Risiken während der Verarbeitung reduziert. Für trockenes Shreddern bleibt die Entladung jedoch eine zwingende Sicherheitsmassnahme.

Spezielle Deaktivierungsmethoden: Fortschrittliche EV-Batterie-Recyclingsysteme integrieren Deaktivierungsmethoden wie Wasserkühlung direkt in den Recyclingprozess, um geladene Lithium-Ionen-Batterien sicher zu handhaben. Gängige Techniken für die Vorab-Entladung umfassen zudem resistive Entladung, elektrische Entladung und Salzbadmethoden.

Energierückgewinnung: Die grosse Menge an Energie, die während des Entladeprozesses freigesetzt wird, muss nicht verloren gehen. Sie kann rückgewonnen und entweder ins Stromnetz eingespeist oder in stationären Energiespeichersystemen gespeichert werden. Dieser Ansatz unterstützt einen energieeffizienteren und nachhaltigeren Recyclingprozess.

2. Die Komplexität der Demontage: Heterogenität und manuelle Prozesse.

Problem: 

Das Batterie-Ökosystem ist von einer grossen Vielfalt an Designs geprägt, ohne eine klare Standardisierung von Batteriepacks, Modulen oder Zellen. Diese Heterogenität stellt eine erhebliche Herausforderung für die Demontageoperationen dar. Eine manuelle Demontage ist nicht nur ineffizient, sondern birgt auch erhebliche Sicherheitsrisiken durch elektrische Gefahren und chemische Exposition. Zudem erfordert die Grösse der Batterien im Verhältnis zu den nachfolgenden Verarbeitungsausrüstungen (z.B. Shredder) oft eine Demontage bis zu einer passenden Grösse, damit sie in die Maschinen passen. End-of-Life-Batterien enthalten Verunreinigungen und Abbauprodukte, die eine direkte Verarbeitung erschweren, im Gegensatz zu sauberem Produktionsschrott.

Lösung:

Automatisierung und KI: KI-gesteuerte Visionssysteme können Batteriepacks analysieren, deren Typ, Zustand und chemische Zusammensetzung identifizieren. Roboterarme, die von KI-Algorithmen geführt werden, können präzise Demontageaufgaben ausführen, wodurch das Risiko von Schäden minimiert und die Materialrückgewinnung maximiert wird. Es gibt einen klaren Trend hin zur Automatisierung oder zur kollaborativen Demontage von Mensch und Roboter.

Reduzierung von Verunreinigungen: Die Demontage dient auch dazu, Gehäuse und andere unerwünschte Materialien wie Plastik, grosse Aluminium- oder Stahlteile zu entfernen. Dies verbessert die Reinheit der Materialien vor der Zerkleinerung und trägt dazu bei, dass die nachfolgende Materialrückgewinnung effizienter wird.

Segregation nach Chemie: Um eine hohe Qualität der sogenannten „Black Mass“ (die aus den zerkleinerten Batterien gewonnenen wertvollen Materialien) aufrechtzuerhalten, ist eine strikte Trennung von Batteriechemien (z.B. LFP und NMC) und Anwendungen unerlässlich. Obwohl die Ausrüstung für Demontage und Zerkleinerung gleich sein kann, sollten die Materialien nicht vermischt werden, um Kreuzkontaminationen zu vermeiden und eine optimale Rückgewinnung zu gewährleisten.

3. Sicherheit und Einhaltung sich entwickelnder Vorschriften.

Problem: 

Eine geringe Informationsdichte über eingehende Batterien erschwert die Prozesse. Oftmals sind Batterien nicht korrekt gekennzeichnet oder ihre Etiketten beschädigt, was die Bestimmung ihrer Chemie und ihres genauen Zustands (State of Health, SOH) erschwert. Dies zwingt Inspektions- und Demontageteams, kritische Entscheidungen mit begrenzten Informationen zu treffen, was das Risiko des Mischens inkompatibler Materialien erhöht und den Verarbeitungsprozess verlangsamen kann. Es fehlen offizielle Richtlinien für die SOH-Bewertung, was zu inkonsistenten Qualitätsbewertungen unter den Betreibern führen kann. Die gesamte Branche wird oft als „Wilder Westen“ beschrieben, unstrukturiert und schnelllebig.

Lösung:

Verbesserte Informationsbeschaffung: Digitale Batterie-Pässe und Rückverfolgbarkeitssysteme werden zunehmend zur Anforderung, um detaillierte Informationen über Chemie, Kohlenstoff-Fussabdruck, Herkunft und End-of-Life-Status jeder Batterie bereitzustellen und so die Rückverfolgbarkeit zu gewährleisten.

Standardisierte Verfahren und Werkzeuge: Es besteht ein dringender Bedarf an fortschrittlichen Inspektionswerkzeugen und standardisierten Verfahren, um die Genauigkeit der Bewertung zu verbessern und die Herausforderungen der unbekannten Chemie und inkonstanten Kennzeichnung zu bewältigen.

Kontinuierliche Anpassung: Unternehmen müssen flexibel sein und sich proaktiv an die sich entwickelnden regulatorischen Rahmenbedingungen und technologischen Innovationen anpassen, um Risiken zu minimieren und langfristigen Wert zu erschliessen.

Umfassende Schulung: Umfassende Schulungen des Personals in Brandbekämpfungsverfahren und Notfallplänen, idealerweise in Zusammenarbeit mit lokalen Feuerwehren, sind unerlässlich. Dies ist besonders wichtig angesichts der potenziellen Risiken, die mit der Handhabung hochreaktiver Materialien verbunden sind.

Welche Herausforderungen gibt es beim Thema Materialtrennung?

Die Materialtrennung, auch bekannt als mechanisches Recycling, ist ein entscheidender vierter Schritt im Batterierecyclingprozess. Sie folgt auf die Deaktivierung und Demontage und dient dazu, Batterien – ob geladen oder entladen – so zu verarbeiten, dass wertvolle Materialien als „Schwarzmasse“ (Black Mass) gewonnen und von anderen Fraktionen wie Metall und Kunststoff getrennt werden. Dieser Schritt ist komplex und birgt verschiedene Herausforderungen, für die jedoch innovative Lösungen entwickelt werden.

1. Die Herausforderung der Sicherheit beim Zerkleinern (Shreddern).

Problem: 

Das Zerkleinern (Shreddern) von Batterien birgt erhebliche Sicherheitsrisiken, insbesondere wenn Batterien noch Restenergie enthalten. Es können Kurzschlüsse, Brandgefahren oder ein thermisches Durchgehen entstehen. Die Wahl der Zerkleinerungsmethode (trocken oder nass) hat direkten Einfluss auf diese Risiken. Während des Shredderprozesses freigesetzte Elektrolyte müssen sicher gehandhabt werden, um eine effiziente und umweltfreundliche Materialrückgewinnung zu gewährleisten.

Lösung:

Prozessabhängige Entladung und Kühlung: Bei der trockenen mechanischen Zerkleinerung ist eine Entladung der Batterien unerlässlich, da keine Flüssigkeitskühlung zur Risikominderung vorhanden ist. Im Gegensatz dazu kann bei der nassen mechanischen Zerkleinerung der Bedarf an einer Vorab-Entladung minimiert oder sogar entfallen, da die integrierte Flüssigkeitskühlung die Risiken während der Verarbeitung reduziert.

Inerte Atmosphäre und Kühlmedien: Um Brandgefahren zu vermeiden, sollte das Shreddern entweder in Wasser oder unter einer inerten Atmosphäre erfolgen. Kühlmedien wie Wasser oder kryogene Zerkleinerung können eingesetzt werden, um die Temperaturen zu senken und das Entzündungsrisiko zu minimieren. Wasser hilft zudem, Funken zu reduzieren oder zu eliminieren.

Kontinuierliche Anpassung: Die spezifischen Massnahmen hängen von den Einsatzstoffen und den operativen Zielen ab.

2. Die Herausforderung von Verunreinigungen und der Qualität der Schwarzmasse.

Problem: 

Die Qualität der Schwarzmasse ist entscheidend für eine effiziente Materialrückgewinnung. Eine der grössten Herausforderungen ist die Reinheit der Materialien. End-of-Life-Batterien enthalten häufig Verunreinigungen und Abbauprodukte, die eine direkte Verarbeitung erschweren. Beim Shreddern können Gehäuse, Kunststoffe, grosse Aluminium- oder Stahlteile mit den wertvollen Metallen (Nickel, Kobalt, Lithium) vermischt werden. Dies erhöht den Aufwand und die Kosten für die nachfolgende Materialrückgewinnung und kann den Wert der Schwarzmasse mindern. Insbesondere der Feuchtigkeitsgehalt in der Schwarzmasse ist ein grosses Problem, da er die Anwendung von Direktrecyclingverfahren für End-of-Life-Batterien ausschliesst.

Lösung:

Strikte Segregation: Eine strikte Trennung von Batterietypen und -anwendungen (z.B. LFP und NMC, EV-Batterien, Energiespeichersysteme und Unterhaltungselektronik) ist unerlässlich, um eine hohe Schwarzmasse-Qualität aufrechtzuerhalten und Kreuzkontaminationen zu vermeiden. Obwohl die Ausrüstung für Demontage und Zerkleinerung dieselbe sein kann, sollten die Materialien nicht vermischt werden.

Optimierung der Shredderparameter: Faktoren wie Messertyp, Rotationsgeschwindigkeit und Shredderatmosphäre müssen präzise eingestellt werden, um die Menge an Kupfer-, Aluminium- und Kunststoffverunreinigungen zu minimieren und die Materialreinheit zu maximieren.

Physikalische Trenntechniken: Nach dem Shreddern werden verschiedene physikalische Trennverfahren wie magnetische Trennung, Mahlen, Sieben und Windsichten eingesetzt, um die Schwarzmasse von anderen Materialströmen zu isolieren. Bei Bedarf kann auch die Flotation angewendet werden, um Graphit zu entfernen und die Reinheit zu verbessern.

3. Die Herausforderung der effizienten Elektrolytentfernung.

Problem: 

Nach dem Shreddern muss der Elektrolyt effizient entfernt werden, um die Materialien für die weitere Rückgewinnung vorzubereiten. Dabei ist es eine Herausforderung, die Effizienz der Elektrolytentfernung mit einem minimalen Energieverbrauch in Einklang zu bringen. Unsachgemässe oder übermässig aggressive Trocknung kann zu Defekten wie Rissbildung, Blasenbildung und Bindemittelmigration führen.

Lösung:

Spezielle Trocknungstechnologien: Techniken wie Vakuumtrocknung und Pyrolyse können optimiert werden, um den Energieverbrauch zu senken und gleichzeitig eine vollständige Elektrolytextraktion zu gewährleisten.

4. Die Herausforderung der sich entwickelnden Vorschriften und des Informationsmangels.

Problem: 

Die Branche ist von einer grossen Vielfalt an Designs ohne klare Standardisierung geprägt, was die Sortierung und die Demontage erschwert. Zudem erfordern die Industrieemissionsrichtlinie und nationale Vorschriften die Einhaltung strenger Grenzwerte für Luft-, Wasser- und Bodenverschmutzung. Recyclinganlagen, die über 75 Tonnen pro Tag verarbeiten, müssen bestimmte Emissionsschwellenwerte erfüllen, um Genehmigungen zu erhalten.

Lösung:

Automatisierung und KI: KI-gesteuerte Visionssysteme können Batterietypen, -zustände und chemische Zusammensetzungen analysieren. Roboterarme, die von KI-Algorithmen gesteuert werden, können präzise Demontage- und Sortieraufgaben ausführen, wodurch Schäden minimiert und die Materialrückgewinnung maximiert wird. Dies verbessert indirekt die Materialtrennung, indem die Eingangsmaterialien besser vorbereitet werden.

Anpassung an Vorschriften: Unternehmen müssen flexibel sein und sich proaktiv an die sich entwickelnden regulatorischen Rahmenbedingungen anpassen, um Risiken zu minimieren und langfristigen Wert zu erschliessen.

Welche Herausforderungen gibt es beim Thema Materialrückgewinnung?

Die Materialrückgewinnung ist der fünfte und oft komplexeste Schritt im Batterierecyclingprozess. Hierbei wird die sogenannte „Schwarzmasse“ (Black Mass), eine Mischung aus wertvollen Materialien nach der mechanischen Trennung, chemisch oder thermisch behandelt, um kritische Metalle wie Lithium, Nickel und Kobalt zu extrahieren und in hoher Reinheit zurückzugewinnen. Dieser Schritt ist entscheidend für die Schaffung einer Kreislaufwirtschaft für Batterien, birgt jedoch erhebliche Herausforderungen.

1. Die Herausforderung der Abhängigkeit von ausländischen Verarbeitungskapazitäten.

Problem: 

Der Grossteil der fortschrittlichen Materialrückgewinnung – also der Extraktion und Raffination von Lithium, Nickel und Kobalt aus der Schwarzmasse zu Batterie-Qualitätsmaterialien – findet derzeit in Asien statt, insbesondere in China. Länder wie die USA und Europa sind stark vom Export der zerkleinerten Schwarzmasse nach Asien abhängig. Dies schafft nicht nur Lieferkettenrisiken und Nachhaltigkeitsprobleme, sondern untergräbt auch das Ziel einer lokalen Kreislaufwirtschaft. Ravi Gate, ein Experte im Batterierecycling, betont, dass dies ein grosses Defizit in der Infrastruktur ist.

Lösung:

Aufbau lokaler Infrastruktur: Der Aufbau robuster lokaler Materialrückgewinnungskapazitäten in den USA und Europa ist von entscheidender Bedeutung. Dies sichert die Versorgung mit kritischen Materialien, reduziert transportbedingte Emissionen und schafft ein widerstandsfähigeres Batterie-Ökosystem. Initiativen wie der US Inflation Reduction Act bieten wirtschaftliche Anreize für inländische Kreislauf-Lieferketten, und bevorstehende Exportbeschränkungen für Schwarzmasse unterstreichen die Notwendigkeit lokaler Infrastruktur.

2. Die Herausforderung der Prozesswahl und -effizienz (Pyro- vs. Hydrometallurgie).

Problem: 

Bei der Materialrückgewinnung kommen hauptsächlich pyrometallurgische (Hochtemperatur-Verhüttung) und hydrometallurgische (chemische Auslaugung) Verfahren zum Einsatz.

Pyrometallurgie: Dies ist die älteste Methode, technologisch ausgereift und kommerziell skaliert. Sie birgt jedoch hohe Risiken, da sie sehr energieintensiv ist und typischerweise zum Verlust von Lithium und Aluminium führt, was sie für moderne Batteriezellchemien weniger effizient macht. Plastikmaterialien, Elektrolyte, Graphit und Lithium gehen bei diesem Prozess verloren. Dies widerspricht den EU-Batterieverordnungen, die Lithium- und erwartete Graphit-Rückgewinnungsziele vorschreiben.

Hydrometallurgie: Dieses Verfahren bietet höhere Rückgewinnungsraten, einschliesslich Lithium. Die Skalierbarkeit ist jedoch an eine robuste chemische Verarbeitungsinfrastruktur gebunden, und es erfordert ein sorgfältiges Abfallmanagement für potenziell gefährliche Abwässer. Es beinhaltet den Umgang mit toxischen Chemikalien und einen hohen Wasserverbrauch, was Umweltbelastungen (z.B. Ökotoxizität) mit sich bringen kann. Viele Einrichtungen in Europa und den USA zweifeln an der Effizienz, Skalierbarkeit und den Umweltauswirkungen dieser Methoden.

Lösung:

Komplementärer Einsatz: Die effektive Lösung liegt in der Kombination dieser Technologien. Pyrometallurgie kann für die anfängliche Massenmaterialrückgewinnung genutzt werden, während Hydrometallurgie die Rückgewinnung von Materialien zu hoher Reinheit verfeinert. Dieser integrierte Ansatz erhöht die Prozesseffizienz, maximiert die Materialrückgewinnung und ermöglicht die Verarbeitung einer breiteren Palette von Batteriezellchemien.

Prozessinnovationen und Optimierung: Innovationen in hydrometallurgischen Techniken konzentrieren sich auf selektivere, effizientere und flexiblere Rückgewinnungswege, um die Metallrückgewinnungsraten zu erhöhen und gleichzeitig Betriebs- und Umweltkosten zu senken. Für die Hydrometallurgie gehören dazu die Minimierung des Einsatzes von Laugungsmitteln, die Wassereinsparung, die Optimierung der technischen Prozesse und die Reduzierung der Sekundärabfallerzeugung (z.B. durch Closed-Loop-Recycling, selektive Laugungsverfahren und fortschrittliche Filtration). Bei der Pyrometallurgie wird durch die Verbesserung des Ofendesigns, die Nutzung alternativer Energiequellen und die Integration von Vorbehandlungsschritten der CO2-Ausstoss und Energieverbrauch reduziert.

3. Die Herausforderung der Materialqualität und Reinheit.

Problem: 

Die Qualität der Schwarzmasse ist entscheidend für eine effiziente Materialrückgewinnung. Eine der grössten Herausforderungen ist die Reinheit der Materialien. End-of-Life-Batterien enthalten häufig Verunreinigungen und Abbauprodukte, die eine direkte Verarbeitung erschweren. Vermischungen von Batterietypen oder -anwendungen können zu Kreuzkontaminationen führen und den Wert der Schwarzmasse mindern. Ravi Gate hebt hervor, dass der Feuchtigkeitsgehalt in der Schwarzmasse, insbesondere wenn er über 2 % liegt, ein grosses Problem darstellt und die Anwendung von Direktrecyclingverfahren für End-of-Life-Batterien ausschliesst. Auch die Lithium-Rückgewinnung ist im Vergleich zu Nickel und Kobalt noch nicht so etabliert.

Lösung:

Strikte Segregation: Eine strikte Trennung von Batterietypen und -anwendungen (z.B. LFP und NMC, EV-Batterien, Energiespeichersysteme und Unterhaltungselektronik) ist unerlässlich, um eine hohe Schwarzmasse-Qualität aufrechtzuerhalten und Kreuzkontaminationen zu vermeiden.

Direktrecycling für Produktionsschrott: Während Direktrecycling für End-of-Life-Batterien aufgrund von Verunreinigungen begrenzt ist, ist es vielversprechend für Produktionsschrott, da dieser sauberer und gleichmässiger ist und eine direkte Wiederverwendung von Kathoden- und Anodenmaterial ermöglicht.

Qualitätsstandards und Rückverfolgbarkeit: Um eine echte Kreislaufwirtschaft zu ermöglichen, ist es unerlässlich, zuverlässige Rückgewinnungsmethoden und klare, branchenweit abgestimmte Qualitätsstandards zu etablieren.

4. Die Herausforderung der Wirtschaftlichkeit bei LFP-Batterien.

Problem: 

Lithium-Eisenphosphat (LFP)-Batterien werden immer dominanter. Im Gegensatz zu Nickel-basierten Chemikalien enthalten LFP-Batterien keine hochpreisigen Metalle wie Kobalt oder Nickel, was ihr Recycling und die damit verbundene Materialrückgewinnung weniger finanziell attraktiv macht. Dies stellt eine Herausforderung dar, da sich der Markt stark in Richtung LFP entwickelt.

Lösung:

Entwicklung wirtschaftlich tragfähiger Prozesse: Die Branche muss in spezialisierte Technologien investieren, die eine optimierte Materialrückgewinnung bei gleichzeitiger Minimierung der Umweltauswirkungen gewährleisten, um LFP-Recycling finanziell vorteilhaft zu gestalten.

5. Die Herausforderung der Vorschriften und kontinuierlichen Anpassung.

Problem: 

Das Batterierecycling ist ein sich schnell entwickelnder Bereich. Die Branche ist von einer grossen Vielfalt an Designs ohne klare Standardisierung geprägt, was die Sortierung und Demontage erschwert. Zudem erfordert die Industrieemissionsrichtlinie und nationale Vorschriften die Einhaltung strenger Grenzwerte für Luft-, Wasser- und Bodenverschmutzung. Die Vorschriften ändern sich in langen Zyklen (ca. 10-15 Jahre für grosse Updates), aber die Implementierungsakte und Ziele (z.B. für Recyclingquoten) werden in Phasen eingeführt, was eine kontinuierliche Anpassung erfordert.

Lösung:

AI und Automatisierung: KI-gesteuerte Visionssysteme und Roboterarme können Batterietypen, -zustände und chemische Zusammensetzungen analysieren und präzise Demontage- und Sortieraufgaben ausführen, wodurch Schäden minimiert und die Materialrückgewinnung maximiert wird. Dies verbessert indirekt die Materialrückgewinnung, indem die Eingangsstoffe besser vorbereitet werden.

Anpassung an Vorschriften: Unternehmen müssen flexibel sein und sich proaktiv an die sich entwickelnden regulatorischen Rahmenbedingungen anpassen, um Risiken zu minimieren und langfristigen Wert zu erschliessen. Die EU-Batterieverordnung setzt beispielsweise verbindliche Recyclingeffizienzziele (z.B. 90 % für Kobalt und Nickel, 50-80 % für Lithium bis 2030) und Mindestanteile an recycelten Materialien in neuen Batterien fest (z.B. 16 % für Kobalt, 6 % für Lithium und Nickel bis 2031). Diese Ziele fördern die Materialrückgewinnung.

Weitere Informationen rund um Kreislaufwirtschaft von Lithium-Ionen-Batterien.

CircuBAT 2025.

Internationale Konferenz CircuBAT in der Schweiz: Programm, Vorträge, Sessions, Redner, Themen und Inhalte.

Die Internationale Konferenz CircuBAT2025 widmet sich den Themen rund um Kreislaufwirtschaft von Lithium-Ionen-Batterien. Sie findet am 13. und 14. November 2025 in der BERNEXPO in Bern, Schweiz statt. Die Konferenz richtet sich an Industrie- und Forschungspartner, politische Entscheidungsträger, internationale Experten für Energiespeicherung und Batterietechnologie sowie Befürworter nachhaltiger Energielösungen.

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EU-Batteriepass.

EU-Batteriepass kommt ab 2027: Demozugang, Batteriezustand, Kreislaufwirtschaft, CO2 Footpint, Supplychain, Batteriematerialien. Wie gut (erhalten) ist die Batterie wirklich wird bald über eine App beantwortet werden.

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Disclaimer / Abgrenzung

Stromzeit.ch übernimmt keine Garantie und Haftung für die Richtigkeit und Vollständigkeit der in diesem Bericht enthaltenen Texte, Massangaben und Aussagen.

Quellenverzeichnis (August 2025):

Electrification Academy - B2B-Wissensplattform für die Batterie- und Elektrifizierungsindustrie.

Electrification Academy.