KIT bündelt Forschungs-Expertise in zwei neuen Batterie-Kompetenzclustern

Karlsruhe - Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wird fächerübergreifende Expertise angesichts des hohen Forschungs- und Entwicklungsbedarfs in zwei neuen Batterie-Kompetenzclustern gebündelt. Die Schwerpunkte liegen in den Bereichen Batterielebenszyklus sowie Recycling und Optimierung von Rohstoffkreisläufen.

Recycling und optimierte Rohstoffkreisläufe, Zweitnutzung und ein wissensbasiertes Zelldesign können Lithium-Ionen-Batterien zukünftig nachhaltiger und sicherer machen. Wichtige Grundlagen auf diesen Gebieten wollen Wissenschaftler aus den Bereichen Verfahrenstechnik und Materialwissenschaft am KIT mit gemeinsamer Forschung zum Batterielebenszyklus schaffen. Die neuen Forschungsprojekte sind Teil der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) neu geschaffenen Batterieforschungscluster „greenBatt“ und „BattNutzung“.

Degradation verstehen und steuern
Ein Schwerpunkt der neuen Batterie-Kompetenzcluster am KIT ist die Analyse und Steuerung der Degradationsprozesse in Batterien. Dabei hilft ein besseres Verständnis der Degradationsprozesse auch, verlässlichere Lebensdauerprognosen für Lithium-Ionen-Zellen zu erstellen. Entsprechende Testreihen sind aber äußerst zeitaufwendig. „Als Lösung werden Testverfahren benötigt, in denen die Alterung beschleunigt abläuft“, so Professor Thomas Wetzel vom Institut für Thermische Verfahrenstechnik. Wetzel und sein Team arbeiten daher an der Identifizierung geeigneter Bedingungen und Parameter, die möglichst wenig zusätzliche Alterungsmechanismen auslösen und sich deshalb als Marker eignen. Mit Hilfe des „thermischen Fingerabdrucks“ einer Batteriezelle soll es dabei möglich werden, die Alterung auch in beschleunigten Testreihen verlässlich vorherzusagen.

Neue Ansätze für das Batterierecycling und Rückgewinnung wertvoller Rohstoffe
Ein weiterer Schwerpunkt der neuen Cluster sind ein recyclinggerechtes Batteriedesign sowie die Weiterentwicklung von Recyclingverfahren und Rohstoffkreisläufen. Derzeit existieren zwei Verfahrenswege zum Recycling von Lithiumbatterien. Robust und sicher ist dabei der thermische Ansatz, bei dem die Zellen bei hohen Temperaturen eingeschmolzen werden. Die erreichbare Recyclingquote bei diesem Ansatz ist nach Angaben von Professor Hermann Nirschl vom Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Mechanik (MVM) des KIT allerdings begrenzt. Potenziell höhere Recyclingquoten versprechen die mechanischen Ansätze, also das Zerkleinern und Sortieren. Diese sind aber grundsätzlich mit höheren Sicherheitsrisiken behaftet und die Materialtrennung ist bislang nur mäßig selektiv. Am MVM 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. Aus den Simulationsergebnissen sollen zukünftig direkt günstige Designmerkmale für Batterien 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 Forschungsteam von Professor Wilhelm Schabel der Thin Film Technology (TFT) des KIT an thermischen Recyclingprozessen für flüchtige organische Komponenten in Elektrodenschichten, um wertvolle Rohstoffe zurückgewinnen, die bei der bisherigen Aufbereitung von Batteriezellen nicht ausreichend berücksichtig wurden.

Batteriesysteme intelligent überwachen
Neben der Nachhaltigkeit steht auch die Sicherheit von Batteriesystemen im Fokus der Arbeit der neuen Forschungscluster. Sicherheitskritische Defekte auf Zellebene ereignen sich zwar nur selten, können aber schwere Folgen haben. Damit es nicht zu Störungen wie Kapazitätsverlusten, Kurzschlüssen oder Bränden kommt, können Zellen während des Betriebs überwacht und geprüft werden. Allerdings wurden solche Online-Verfahren bislang vor allem im Labor eingesetzt und sind auf Systemebene wenig sensitiv. An dieser Stelle setzt die Arbeit von Professorin Ulrike Krewer vom Institut für Angewandte Materialien - Werkstoffe der Elektrotechnik an, die mit ihrem Team verbesserte Analysealgorithmen für die Praxis entwickeln will.