Batterieproduktion: Wohin mit dem Abfall? Forschende recyceln Elektrodenausschuss im industriellen Maßstab

Die Technische Universität Braunschweig arbeitet als Partnerin in einem hochkarätigen Konsortium aus Forschung und Industrie daran, Produktionsausschüsse aus Gigafactories direkt in den Fertigungskreislauf zurückzuführen. Ziel ist es, die Abhängigkeit von Rohstoffimporten massiv zu senken und den ökologischen Fußabdruck von Lithium-Ionen-Batterien zu halbieren. Denn: In der Batterieproduktion der Zukunft ist Abfall kein Entsorgungsfall, sondern eine wertvolle Ressource.

Trotz modernster Technik liegt die Ausschussrate in der Batteriezellproduktion – insbesondere in der Hochlaufphase – oft deutlich über zehn Prozent. Da diese Materialien bereits hochwertige Elemente wie Lithium, Nickel und Kobalt enthalten, ist ihre Vernichtung oder das energieintensive herkömmliche Recycling ökonomisch und ökologisch ineffizient. Einen innovativen Ansatz für diese Herausforderung verfolgt das Verbundprojekt SkArec (Skaliertes und ressourcenschonendes Ausschussrecycling für die industrielle Batteriezellenproduktion): das direkte Recycling. Hierbei werden Anoden- und Kathodenmaterialien trocken-mechanisch oder lösungsmittelbasiert aufbereitet, ohne sie chemisch auf molekularer Ebene zerlegen zu müssen.

Vom Labor in die Gigafactory

Während die Verfahren im Kompetenzcluster Recycling & Grüne Batterie (greenBatt) des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF, jetzt BMFTR) bereits im Labormaßstab erfolgreich getestet wurden, hebt SkArec diese Prozesse nun auf die industrielle Pilot-Skala (konkret: Technology Readiness Level 6):

• Trocken-mechanische Aufbereitung (Kathode): Skalierung auf einen Durchsatz von 50 kg/h,
• Wasserbasierte Aufbereitung (Anode): Skalierung auf 10 kg/h,
• Erarbeitung eines Anlagenlayouts für industrielle Großanlagen mit einem Durchsatz von 1 t/h.

Innovation durch Qualitätssicherung und modulare Anlagen

Damit die hohen Recyclingquoten erreicht werden können, definieren die Forschenden sogenannte Quality-Gates. Durch tiefgehende physikalische und chemische Analysen werden Grenzwerte für Verunreinigungen festgelegt. Dies schafft die notwendige Sicherheit für die industrielle Wiederverwendung der Sekundärmaterialien in neuen Batteriezellen.

Zudem setzt das Projekt auf modulare Recyclinganlagen. Dieses Konzept ermöglicht es Unternehmen, ihre Recyclingkapazitäten flexibel an das Produktionsvolumen anzupassen, Anfangsinvestitionen zu senken und die Wettbewerbsfähigkeit des Standorts Deutschland zu stärken.

Ein Beitrag zu den Klimazielen

Mit dem Fokus auf Energie- und Ressourceneffizienz leistet das Verbundprojekt SkArec einen wesentlichen Beitrag zum Dachkonzept Batterieforschung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF). Das Ziel: Batterien aus Sekundärmaterialien zu fertigen, die nur noch maximal 50 Prozent des Treibhausgaspotentials primär hergestellter Batterien aufweisen.

Ein starkes Konsortium für die Batteriewende

Das Projekt bündelt die Kompetenzen von sechs Partnern und einem assoziierten Akteur entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Die Federführung liegt bei der VARTA Microbattery GmbH, die dabei koordinativ von der TU Braunschweig unterstützt wird.

• VARTA Microbattery GmbH (VMB): Bereitstellung von Ausschussmaterial, Zellherstellung und industrielle Validierung.

• TU Braunschweig (iPAT): Expertise in Prozesstechnologie und Struktur-Eigenschafts-Beziehungen, Entwicklung und Optimierung des Ausschussrecyclings im Labormaßstab.
• Hochschule Aalen (IMFAA): Elektrochemische Charakterisierung und Alterung, Materialanalytik, Einflussgrößenanalyse.
• Hosokawa Alpine AG: Maschinen- und Anlagenbau für die Skalierung des trocken-mechanischen Prozesses für das Recycling von Kathodenausschüssen.
• acp systems AG: Maschinen- und Anlagenbau für die Skalierung des nasschemischen Prozesses für das Recycling von Anodenausschüssen.
• EurA AG: Ökologische (LCA) und ökonomische (LCC) Bewertung.
• E-LYTE (Assoziierter Partner): Entwicklung spezialisierter Elektrolyte für Recyclingmaterialien.

Über die VARTA AG

Die VARTA AG produziert und vermarktet ein umfassendes Batterie-Portfolio – von Mikrobatterien über Haushaltsbatterien und Energiespeichersystemen bis hin zu kundenspezifischen Batterielösungen für eine Vielzahl von industriellen und kommerziellen Anwendungen. Durch intensive Forschung und Entwicklung setzt die VARTA AG weltweit Maßstäbe in der Lithium-Ionen-Technologie und bei Mikrobatterien und gilt als anerkannter Innovationsführer in wichtigen Wachstumsmärkten, insbesondere bei Lithium-Ionen-Zellen und primären Hörgerätebatterien. Mit über 3.500 Mitarbeitenden, fünf Produktions- und Fertigungsstätten in Europa und Asien sowie Vertriebsstandorten in Europa, Asien und den USA sind die operativen Gesellschaften der VARTA AG heute in mehr als 100 Ländern aktiv.

Auf Basis langjähriger technologischer Erfahrung verfügt die VARTA AG über umfassende Kompetenz entlang des gesamten Entwicklungs- und Produktionsprozesses von Batterielösungen. Die VARTA AG ist in der Lage, nahezu jede kunden- oder anwendungsspezifische Batteriearchitektur zu entwickeln und fungiert bereits in frühen Engineering- und Designphasen als starker Sparringspartner für Industrie, Mittelstand und OEMs. Neben dieser tiefen Entwicklungs- und Integrationskompetenz beherrscht die VARTA AG die skalierbare industrielle Serienproduktion anspruchsvoller Batterielösungen und verbindet damit technologische Innovation mit hoher Fertigungstiefe und globaler Lieferfähigkeit.

Über die TU Braunschweig

Die Technische Universität Braunschweig ist eine der führenden technischen Universitäten Deutschlands und Mitglied im TU-Verbund. Im Herzen der forschungsintensivsten Region Europas arbeitet sie in interdisziplinären und fakultätsübergreifenden Forschungszentren an Lösungen für die großen Herausforderungen der Zukunft. Ihre Aktivitäten bündelt sie in den vier Forschungsschwerpunkten Mobilität, Metrologie, Engineering for Health und Stadt der Zukunft. Im Schwerpunkt Mobilität entwickeln Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler innovative Technologien für eine nachhaltige und umweltverträgliche Mobilität – von intelligenten und vernetzten Fahrzeugen, energieeffizienten Flugzeugen über moderne Ladeinfrastrukturen bis hin zu digitalem Mobilitätsmanagement sowie neuen Werkstoffen und ressourceneffizienten Produktionstechniken.

Die TU Braunschweig profitiert von einem ausgezeichneten Ökosystem, das Universitäten, Bundesforschungszentren, Helmholtz-Institute, Fraunhofer-Institute, Forschungseinrichtungen der Leibniz-Gemeinschaft, Museen, Bibliotheken und sogar einen Forschungsflughafen umfasst. Das schafft vielfältige interdisziplinäre Forschungs- und Vernetzungsmöglichkeiten für Forscher und Studierende. Das international ausgerichtete Studium ist geprägt von einer hohen Praxisorientierung durch Forschungsprojekte, eine exzellente Vernetzung und Transferaktivitäten.

Über die Hochschule Aalen / das Institut für Materialforschung

Die Hochschule Aalen gehört seit vielen Jahren zu den forschungsstärksten Hochschulen für angewandte Wissenschaften in Deutschland und verfügt über ausgewiesene Expertise in der Batterietechnologie. Die Forschungsaktivitäten decken ein breites Spektrum von der Materialsynthese bis zur Regelungstechnik ab.

Das Institut für Materialforschung Aalen (IMFAA) verfügt über ein breites Portfolio an Methoden zur Analyse von Batteriematerialien, zur Entwicklung von Elektroden und Zellen sowie zu deren Testung. Forschungsschwerpunkte sind Mikrostruktur-Eigenschaftszusammenhänge, innovative Elektrodenarchitekturen, Alterungsanalysen sowie datengetriebene Auswertungsmethoden auf Basis von Digitalisierung und Machine Learning. Neben Lithium-Ionen-Systemen werden auch Natrium-Ionen-Batterien untersucht, sowohl für Flüssig- als auch für Feststoffelektrolyte. Das Thema Batterierecycling hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen und wird durch das Projekt SkArec konsequent weiterverfolgt.

Über Hosokawa Alpine

Hosokawa Alpine ist ein weltweit führender und innovativer Maschinen- und Anlagenbauer mit Hauptsitz in Augsburg und einer Zweigniederlassung in Leingarten. Außerdem unterhält das Unternehmen mehrere Tochterunternehmen im In- und Ausland. Die Kernkompetenz von Hosokawa Alpine liegt zum einen im Geschäftsbereich Mechanische Verfahrenstechnik in der Fertigung von Maschinen und Systemen zur Aufbereitung von Pulvern, Granulaten und Schüttgütern sowie im Geschäftsbereich Folienextrusion bei Anlagen zur Fertigung und Veredelung von Blasfolien. Seit 1987 ist das Unternehmen 100-prozentiges Tochterunternehmen der japanischen Hosokawa Micron Corporation.

Im Rahmen des Projekts SkArec beschäftigt sich Hosokawa Alpine mit der Entwicklung eines skalierbaren trocken-mechanischen Prozesses für das In-House-Recycling von Elektrodenabfällen, die während der Zellherstellung entstehen. Im Fokus der Prozessentwicklung steht die Herstellung einer möglichst reinen Schwarzmasse, die direkt wieder in der Zellfertigung eingesetzt werden kann. Dabei ist entscheidend, den Anteil an Elektrodenfolien sowie sonstigen Verunreinigungen möglichst gering zu halten. Für diesen Prozess soll zudem ein Konzept für eine Skalierung auf einen industriellen Maßstab erarbeitet werden.

Über acp systems

Die acp systems AG zählt mit ihren Lösungen zu den globalen Technologieführern für advanced clean production inklusive Prozessautomation und Systemintegration. Kerntechnologien des 1997 gegründeten Unternehmens mit Hauptsitz in Deutschland sind die ressourcenschonende quattroClean-Schneestrahlreinigung, hochpräzise Mikrodosierung und intelligente Handhabungslösungen, beispielsweise für flexible Materialien und Folien. acp unterstützt Unternehmen, unter anderem aus der Elektronik- und Automobilindustrie, Medizin- und Pharmatechnik, Halbleiter-Zulieferindustrie und Batterieindustrie, bei der Entwicklung, Planung, Konzeption und Integration hochautomatisierter, nachhaltiger Fertigungsprozesse.

Von der Zellfertigung bis zum Recycling fertigt acp Anlagen im Bereich der Batterieproduktion. Neben dem Schwerpunkt der Präzisionsreinigung, mit Lösungen zur Reinigung von Kontaktflächen vor dem Bonding oder der zuverlässigen Entfernung von Elektrolytrückständen, zählen zudem die Forschung, Konzeption und der Anlagenbau komplexer Produktionssysteme zum Portfolio. Diese reichen von der format- und designflexiblen Wickelmaschine für zylindrische Zellen, über innovative Automationslösungen für die Zellmontage und das automatisierte Zellstacking hin zu Recyclingsystemen zur automatisierten Demontage von Batteriemodulen mit dem Ziel der effizienten Rückgewinnung strategischer Rohstoffe. Im Projekt SkaRec liegt der Fokus der acp auf der Skalierung des nasschemischen Prozesses für das Recycling von Anodenausschüssen.

Über EurA AG

Seit über 25 Jahren begleitet EurA Marktführer von morgen mit umfassender Expertise in Technologie und Fördermittelberatung. Nachhaltigkeit ist ein fester Bestandteil der Beratungsleistung: EurA unterstützt Industrie und Forschung dabei, regulatorische Anforderungen sicher zu erfüllen und nachhaltige Lösungen strategisch und wirtschaftlich umzusetzen. EurAs Leistungsspektrum reicht von der CO₂-Bilanzierung über Transformationspläne und die Optimierung von EcoVadis-Ratings bis hin zur doppelten Wesentlichkeitsanalyse sowie effizienter, auditkonformer Nachhaltigkeitsberichterstattung. Grundlage der Arbeiten der EurA AG sind wissenschaftlich fundierte Methoden, ein tiefes Verständnis industrieller Prozesse sowie die Expertise in komplexen Wertschöpfungsketten und Datenmodellen. Fördermittel werden gezielt integriert, um Projekte für Unternehmen jeder Größe wirtschaftlich tragfähig zu gestalten.