Batterieforschung: Promovierende erforschen „Schwarze Masse“ Neues Graduiertenkolleg zur nachhaltigen Kreislaufproduktion und -nutzung von Lithium-Ionen-Batterien
Die Mobilitätswende geht mit einer stetig steigenden Nachfrage an Lithium-Ionen-Batterien einher. Die konsequente Kreislaufführung von Rohstoffen zur Steigerung der Nachhaltigkeit im Elektromobilitätssektor ist dabei zukunftsentscheidend: Bedingt wird das durch Ressourcenverfügbarkeit, Rohstoffkosten sowie sozial kritische Faktoren in Batterierohstoff abbauenden Ländern. Insbesondere die Rückgewinnung der aktiven Batteriebestandteile wie Lithium-Nickel-Kobald-Manganoxid (NCM) ist aus ökologischer und ökonomischer Sicht hochgradig relevant. Nach heutigem Stand der Forschung können diese Bestandteile nur mit sehr hohem Aufwand in der notwendigen Reinheit und langfristig notwendigen Recyclingquote in der zirkulären Batterieproduktion zurückgewonnen werden. Aus diesem Grund wird diese Thematik in einem neuen Graduiertenkolleg ab Oktober 2021 vertieft werden. Ab März werden die Doktorand*innen rekrutiert.
Wissenschaftliche Mitarbeiterinnen am Coperion Extruder mit Düse und Extrudat in der BLB. Bildnachweis: Marisol Glasserman/TU Braunschweig
Das neue Graduiertenkolleg „Kreislaufproduktion und -nutzung von Lithium-Ionen-Batterien“ widmet sich skalierbaren, wirtschaftlich effizienten und ökologisch nachhaltigen Prozesstechnologien. Dazu gehören auch Diagnose- und Simulationsmethoden entlang des Material-, Produktions- und Recyclingkreislaufes von Lithium-Ionen-Batterien. Das zentrale Forschungsfeld ist die nachhaltige Systemgestaltung (siehe Abbildung), bestehend aus Life-Cycle-Betrachtungen, ökonomischer/ökologischer Bewertung und dem Aufbau eines datengetriebenen Ansatzes zur Etablierung einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft.
Die Promovierenden bearbeiten Fragestellungen, die an den einzelnen Prozessschnittstellen ineinandergreifen und so eine gesamtheitliche und abgestimmte Abbildung der Batteriematerial-Kreislaufführung und dessen systematischer Erforschung erlaubt.
Grafik: Die nachhaltige Systemgestaltung ist das zentrale Forschungsfeld des neuen Graduiertenkollegs von TU Braunschweig, TU Clausthal, Leibniz Universität Hannover und Fraunhofer IST. Bildnachweis: BLB/TU Braunschweig
Die hierbei angestrebten Untersuchungen zur Kreislaufführung werden in drei Forschungsfelder gegliedert: Material-/Zellalterung, Recyclingprozesse und Materialrückgewinnung. In allen Bereichen werden diese durch eine starke analytische Methodenentwicklung und -nutzung zum Verständnis von Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen ergänzt.
Recycling von Zellmaterial und Aufbereitung der Schwarzen Masse
In der Nutzungsphase werden Material- und Zellalterung von aus rezyklierten Materialien untersucht. Anschließend werden die Zellen dem erneuten Recyclingprozess – mit Fokus auf die Demontage und die mechansiche/thermischen Prozessschritte – zugeführt. Die erhaltene Schwarze Masse (Mischung aus Anoden und Kathodenaktivmaterial) wird im Anschluss durch hydrometallurgische Schritte (Kathodenmaterial) sowie Temperatureinsatz (Anodenmaterial) zu Aktivmaterialien für den erneuten Einsatz in Lithium-Ionen-Batterien geformt.
Das Graduiertenkolleg bietet den Promovierenden außerdem die Möglichkeit der interdisziplinären Forschung in einem Schlüsseltechnologiebereich mit fachlicher und überfachlicher Förderung. Gleichzeitig werden die Promovierenden auf Aufgaben in diversen Industrie- und Forschungseinrichtungen vorbereitet.
Das Konsortium
Die interdisziplinäre Zusammenarbeit aus Natur-, Material-, Ingenieur- und Wirtschaftswissenschaften ist zentraler Ansatz des Konsortiums, um eine tiefergreifende und fundierte Forschung zur Batteriematerial-Kreislaufführung zu realisieren. Im standortübergreifendem Graduiertenkolleg (Sprecher Professor Arno Kwade) arbeiten 19 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der TU Braunschweig, TU Clausthal, Leibniz Universität Hannover sowie Fraunhofer IST zusammen.
Außerdem wird Professor Petr Novák im Rahmen einer Seniorprofessur am Institut für Energie- und Systemverfahrenstechnik (InES) in das Graduiertenkolleg eingebunden, um die Promovierenden mit seiner langjährigen Erfahrung im Bereich der Materialcharakterisierung, der Alterung von Aktivmaterialien und dem Batteriezell-Systemverständnis zu unterstützen. Zudem wird die Beschaffung von Pilotanlagen zur Kreislaufführung der Batteriematerialien, insbesondere deren Recycling, gefördert.
Das Gesamtprojekt startet am 01.03.2021 mit der Rekrutierung der Doktorandinnen und Doktoranden, die im Oktober 2021 aktiv im Kolleg starten sollen, und endet im Februar 2025. Die Zuwendung erfolgt über das Ministerium für Wissenschaft und Kultur (MWK) und der VolkswagenStiftung.