Entwicklung eines innovativen Verfahrens zur

Automatisierte Demontage und Aufbereitung von Lithium-Ionen-Batterien
Entwicklung eines innovativen Verfahrens
zur automatisierten Demontage und Aufbereitung
von Lithium-Ionen-Batterien aus Fahrzeugen
Peter Ay, Jens Markowski, Harry Pempel und Mike Müller
1.
Entwicklung der Systeme.................................................................................. 443
2.
Entwicklung einer neuartigen Demontage- und
Aufbereitungstechnologie................................................................................. 446
3.
Sammlung und Transport von Alt-Li-Akkus aus Fahrzeugen..................... 447
4.
Sicherheitstechnische Vorbehandlung und Demontage............................... 448
5.
Robotergestützte Demontage........................................................................... 449
6.
Sortierung und Aufbereitung der Komponenten
aus den demontierten Li-Zellen....................................................................... 451
7.
Aufbereitung und Verwertung weiterer Fraktionen...................................... 453
8.
Resümee und Ausblick...................................................................................... 454
9.Quellen................................................................................................................ 455
Die automobile Antriebstechnik steht in den nächsten Jahrzehnten vor tief greifenden
Veränderungen. Nachdem über 125 Jahre der Verbrennungsmotor die vorherrschende
Antriebsart darstellte, basieren neue Entwicklungen auf Elektroantrieben oder auf der
Kombination verschiedener Antriebsformen. Fahrzeuge mit elektrischen Antrieben haben
mittlerweile den Status der Serienreife erreicht und werden perspektivisch zunehmend das
Straßenbild bestimmen.
Mit der so genannten Lithium-Ionen-Traktionsbatterie wurde in den letzten Jahren ein
Speichermedium zur Serienreife geführt, welches einen hohen elektrischen Wirkungsgrad
mit kompakten Maßen und geringem Eigengewicht vereinigt. Mit den auf der Nutzung
von Lithium-Akkumulatoren basierenden Antriebskonzepten kann ein entscheidender
Schritt zur Umsetzung einer umfassenden Verbreitung der elektrischen Antriebstechnik
im Bereich der individuellen Mobilität erfolgen.
1. Entwicklung der Systeme
Batterien und Akkumulatoren auf der Grundlage von Lithium-Verbindungen sind technikgeschichtlich gesehen und im Vergleich mit anderen Energiespeichern relativ neue
443
Peter Ay, Jens Markowski, Harry Pempel, Mike Müller
Entwicklungen. Erst seit etwa zwanzig Jahren sind Lithium-Akkumulatoren serienreif und
in der breiten Anwendung vorhanden. Aufgrund ihrer technischen Vorteile (kein MemoryEffekt, geringe Selbstentladung, hohe Energiedichte), ihrer Anwendungsvielfalt und der
damit in Zusammenhang stehenden schnellen und weiten Verbreitung der Systeme ist die
in Deutschland verkaufte Menge allein an Li-Ionen-Batterien in den letzten zehn Jahren
um über 1.000 % gestiegen.
Verkaufte Menge Li-Batterien
Tonnen
6.000
5.500
4.500
4.051
Bild 1:
3.000
2.353
1.792
1.411
1.500
957
456
0
524
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2008 2010
Verkaufte Menge Li-Batterien in
Deutschland
Quelle: Weye, R.: Stoffliche Verwertung
moderner Batteriesysteme. Workshop
Von Akku bis Zink-Kohle, Sonderabfallgesellschaft Berlin-Brandenburg mbH,
Potsdam, 9.11.2011
Für den Bereich der Elektromobilität wird erwartet, dass das weltweite Marktvolumen für
Lithium-Ionen-Akkus von derzeit 1,5 Milliarden bis zum Jahre 2015 auf rund 9 Milliarden
Dollar wächst [2].
Durch die im Vergleich zu Akkumulatoren anderer Bauart historisch kurze Zeit der bisherigen Nutzung von Lithium-Akkus (z.B. Laptops, Video-Geräte, Mobiltelefone usw.)
und der technischen Langlebigkeit dieser Energiespeichersysteme gibt es bisher wenig
Erfahrungen mit ihrem Recycling und allen damit in Zusammenhang stehenden Prozessen,
insbesondere auch der Logistik. Die Menge der zurück genommenen Li-Ionen-Batterien
und -akkus wird für das Jahr 2010 durch die Stiftung Gemeinsames Rücknahmesystem
Batterien (GRS) mit weniger als 400 Tonnen angegeben, wovon jedoch nur dreißig
Prozent in Deutschland recycelt wurden [3]. Auch entwickelt sich die Einführung von
Akkusystemen, die auf neuen oder weiter entwickelten Li-Ion-Katodenbeschichtungen
basieren, so dynamisch, dass es für die Recyclingwirtschaft kompliziert ist, entsprechende
Verarbeitungstechnologien und -kapazitäten zeitnah bereit zu stellen. Aus den genannten
Gründen existiert trotz vielfältiger Forschungsaktivitäten in den letzten Jahren bisher in
Europa noch keine komplexe und gleichzeitig flexible, praxisreife und industriell erprobte
Recyclingtechnologie für Lithium-Traktionsbatterien, die den Ansprüchen an eine moderne
und praktikable stoffliche Verwertung entspricht.
Die Nutzung der Lithium-Ionen-Akkumulatoren als Antriebsmittel für Fahrzeuge stellt
im Bereich der Antriebstechnik ein weltweites Novum dar. Langzeiterfahrungen aus dem
Serienbetrieb und der -nutzung liegen bisher noch nicht vor. Aufgrund der Größe und
Bauart der Li-Ionen-Akkus können deshalb auch die für andere Typen und Materialien
entwickelten herkömmlichen Recyclingverfahren für Fahrzeugakkumulatoren nicht zum
Einsatz kommen.
444
Automatisierte Demontage und Aufbereitung von Lithium-Ionen-Batterien
Eine Recyclingkonzeption für die umfassende stoffliche Verwertung der Li-Batterien muss
neben der eigentlichen Aufbereitungs- und Verarbeitungstechnologie insbesondere auch
die sicherheitstechnischen und materialspezifischen Besonderheiten der Li-Batterien und
-Akkus berücksichtigen. Das beginnt bei der Erfassung und Lagerung der ausgedienten
oder defekten Akkus, zieht sich durch den gesamten Demontage- Aufbereitungs- und Verwertungsprozess und endet bei der sinnvollen Nutzung der erzeugten Sekundärrohstoffe.
Der differenzierte und gleichzeitig sehr komplexe und kompakte Aufbau der LithiumTraktions-Akkumulatoren und die Gefährlichkeit beim Handling sind weitere wesentliche
Gründe dafür, dass bisher keine sicher funktionierende Verwertungstechnologie existiert
und beim Umgang immer wieder Unfälle und schadenrelevante Ereignisse (insbesondere
Explosionen oder Brände) zu verzeichnen sind. Eine andere Ursache für Unfälle mit LiBatterien ist der sorglose Umgang des Betriebspersonals mit ihnen aufgrund fehlender
oder unvollständiger Information über die enthaltenen Stoffe und deren Gefahrenpotenzial, oftmals verbunden mit einem unsachgemäßen Handling [4] oder der Nutzung nicht
zugelassener Behälter (Bild 3).
Bild 2:
Händische Demontage von
Li-Akkus
Bild 3:
Transportbehälter mit Li-Zellen
ohne Zulassung
Für den Umgang mit lithiumhaltigen Systemen in der ersten Verarbeitungsstufe besteht
auch bei erfahrenem Betriebspersonal eine große Unsicherheit hinsichtlich der Gefährdungen (Brand- und Explosionsgefahr, Gefahr elektrischer Schläge). Auch aus diesem
Grund werden die Systeme bei einigen Verfahrensentwicklungen für das Recycling vor
445
Peter Ay, Jens Markowski, Harry Pempel, Mike Müller
der thermischen Behandlung gar nicht demontiert, unter inerter Atmosphäre oder mit
explosionsgeschützten Zerkleinerungsaggregaten behandelt, um das so erzeugte Kleinstpartikelgemisch anschließend einer Pyrolyse, einer Hochtemperaturbehandlung oder
einem nasschemischen Aufschluss zuzuführen [5]. Der generelle Nachteil dieser Verfahren
besteht in einer unkontrollierten Vermischung der Materialien im Zerkleinerungs- bzw.
Schmelzvorgang, die im Nachhinein einen enormen Aufbereitungs- und Trennaufwand
erfordert bzw. zu verunreinigten und damit minderwertigen Produkten führt.
2. Entwicklung einer neuartigen Demontage- und
Aufbereitungstechnologie
Anstelle einer klassischen Vorzerkleinerung oder der kompletten Verhüttung ohne Vorbehandlung kann aber auch eine gezielte, auf die nachfolgenden Behandlungs- und Verwertungsschritte abgestimmte und zudem automatisierte Zerlegung, verbunden mit einer
Separation und nachfolgenden speziellen Behandlung der einzelnen Stoffströme erfolgen.
Damit wird für die einzelnen Produkte eine höhere Qualität bei gleichzeitiger Reduzierung
des Aufwandes zur Trennung von feinkörnigen oder verschmolzenen Materialgemischen
realisiert. Durch die automatisierte Demontage wird zudem das Gefährdungspotenzial für
das Betriebspersonal signifikant reduziert.
Im Rahmen eines vom BMBF unterstützten Verbundprojektes wird seit 2011 eine Technologie zur Demontage von Li-Akkus mittels Industrierobotertechnik und der selektiven
Aufbereitung der demontierten Komponenten entwickelt. Das Li-WERT-Konzept geht
von einer weitgehenden Automatisierung des Handlings und der Demontageprozesse und
Anlieferung,
Eingangskontrolle
Identifikation
und Zwischenlagerung
Öffnen der
Kontaktstellen
Heizwertreiche
Materialien
Bild 4:
446
Nutzung der
Restenergie
Demontage
Gehäuse,
E-Schrott
Aufbereitung
Zellen
Sortierung
Aufbereitung
Verwertung
Ersatzbrennstoffe
Kontrollierte
Entladung
Stoffliche
Verwertung
Hüttenprozesse
(Cu, Al)
Hüttenprozesse
(Co/Mn/Ni, Li)
Verwertung
Metalle
Verwertung
Metalle
Verwertung
Schematische Darstellung der Arbeitsschritte zur Demontage und Aufbereitung von
Lithium-Ionen-Batterien
Automatisierte Demontage und Aufbereitung von Lithium-Ionen-Batterien
einer umfassenden Rückgewinnung der einzelnen Fraktionen aus. Dabei werden folgende
Schwerpunkte und wissenschaftlich-technische Arbeitsziele verfolgt:
• Entwicklung einer geeigneten Logistik (Handling und Lagerung),
• sicherheitstechnische Vorbehandlung,
• automatisierte Demontage, weitere Zerlegung, Separation,
• Aufbereitung der Metalle und Metallverbindungen für den metallurgischen Prozess,
Verwertung der separierten Metallkomponenten durch selektive Verhüttung,
• Verwertung der nichtmetallischen Komponenten.
In Bild 4 sind die wichtigsten Arbeitsschritte des Konzeptes dargestellt.
Die gesamte Prozesskette ist modular aufgebaut und bietet damit ein hohes Maß an Flexibilität in verschiedenen Richtungen. So können z.B. auch teildemontierte Systeme in den
Prozess eingebracht werden. Neue Batteriebauformen sind durch kurzfristig realisierbares
Umprogrammieren des Roboters und Werkzeugwechsel beherrschbar. Selbst die Anpassung
an neue Katodenmaterialien (z.B. Li(FePO)) ist im Verhältnis schnell möglich.
3. Sammlung und Transport von Alt-Li-Akkus aus Fahrzeugen
Für die Logistik und die Lagerung von Lithium-Traktionsbatterien aus Fahrzeugen müssen
eine Reihe spezieller Anforderungen berücksichtigt werden, u.a. muss ein Schutz gegen
Kurzschluss und gegen ggf. auslaufenden Elektrolyten vorhanden sein.
Die Erfassung und der Transport der Li-Batterien hat deshalb in enger Abstimmung zwischen dem Demontagebetrieb und den Fahrzeugwerkstätten zu erfolgen. Dazu stellt der Demontagebetrieb den Werkstätten genormte und zugelassene System-Behälter auf Leihbasis
zur Verfügung, die in seinem Eigentum verbleiben. Das bietet eine Reihe Vorteile, wie z.B.
• Begrenzung der Anzahl von Sammelstellen und Behältern,
• detaillierte Zuordnung der Batterien zur Anfallstelle auch im Nachhinein möglich,
• permanenter Überblick über die anfallenden Mengen und Typen,
• Planung der Demontage- und Verwertungsabläufe, abgestimmt auf die Batterietypen ,
• Abstimmung der Abfuhrlogistik auf die Anfallschwerpunkte und die Häufigkeit des
Anfalls der einzelnen Batterietypen,
• Transportgrößen auf Europalettengröße abgestimmt,
• offenes System: Im Bedarfsfall kann die Erfassung auch auf andere, entsprechend ausgerüstete Fahrzeugverwerter/Zerlegebetriebe/Hersteller ausgeweitet werden.
Für den sicheren Transport der Behälter von den Erfassungsstellen zum Demontagebetrieb
sorgt die Kooperation mit solchen Speditionen, die von den Automobilherstellern für die
Werkstattversorgung mit Ersatzteilen gebunden und entsprechend zertifiziert sind. Zur
speziellen Problematik des Transports der Behälter mit ausgedienten Li-Akkus wurde eine
spezielle Handlungsanweisung für die Spediteure (Fahrerhandbuch) erstellt, die fortlaufend an die technische Entwicklung und die Gesetzes- bzw. Verordungslage angepasst und
weiter entwickelt wird. Die enge Bindung zwischen Erfassungs- und Verwertungsbetrieben
bietet die Gewähr, dass Lagerzeiten bei ausgesonderten Akkus vermieden, die vollständige
Verarbeitung aller erfassten Einheiten sicher gestellt und vorgegebene technische Standards
eingehalten werden.
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Peter Ay, Jens Markowski, Harry Pempel, Mike Müller
Die eindeutige Identifizierung und Zuordnung der Akkus zur Anfallstelle und zum Hersteller ist durch Barcode oder eine vergleichbare Kennzeichnung der Systeme gegeben.
Auch Produktionsabfälle können so erfasst und zugeordnet werden.
Das für den Transport entwickelte System besteht aus einem Behälter mit Deckel, der
verschließbar und abschließbar ist und mittels Gabelstapler, Hubwagen oder Kran bewegt
werden kann. Das Gehäuse des Behälters ist mechanisch stabil und aus einem Kunststoff
gefertigt, der chemisch unempfindlich gegen eventuell auslaufenden Elektrolyten ist. Das
Behältersystem erfüllt die Klassifizierungsvorschriften nach UN 3480.
Bild 5:
Prototyp eines zugelassenen und
nach UN3480 klassifizierten
Behältersystems
Derzeit noch nicht gelöst ist die Problematik von Erfassung, Lagerung und Transport von
Li-Akkus aus Unfallfahrzeugen und anderen beschädigten Batterien. Neben der Sicherung
gegen das Auslaufen des Elektrolyten (wofür die vorhandenen Behältersysteme bereits gute
Voraussetzungen besitzen), muss bei diesen defekten Einheiten insbesondere die Gefahr
der Selbstentzündung berücksichtigt werden. Neben einer permanenten Temperaturüberwachung ist deshalb auch die Möglichkeit zur automatischen Kühlung bei Überschreiten
eines definierten Temperaturniveaus vorzusehen. Die Ereignisse im Zusammenhang mit
dem Crash-Test eines Chevrolet-Volt Ende 2011 [6] zeigen, dass für den Umgang mit verunfallten Elektrofahrzeugen und deren Unfallbatterien auch für Prüforganisationen und
Autowerkstätten eine völlig neue Herangehensweise notwendig ist.
4. Sicherheitstechnische Vorbehandlung und Demontage
Für die Entwicklung des Konzeptes einer automatisierten Demontage für die Batteriesysteme
mittels Industrierobotertechnik war es zunächst erforderlich, die notwendigen Einzelschritte
zu ermitteln, die dabei auftretenden Probleme und Besonderheiten zu analysieren und einer
Lösung zuzuführen. Dazu wurde im Demontagebetrieb ein sicherheitstechnisch entsprechend ausgerüsteter Arbeitsbereich eingerichtet, an dem die einzelnen Demontageschritte
zunächst händisch durchgeführt und dokumentiert wurden. Diese Dokumentation dient
als Aufgabenstellung für die im Anschluss folgende Ausrüstung und Programmierung des
Industrieroboters, wobei das Handling an die Besonderheiten der robotergestützten Demontage anzupassen ist (z.B. wird beim Roboter nicht das Werkzeug zum Demontagegegenstand
sondern die Batterie zum fest fixierten Schneid- oder Demontagewerkzeug geführt).
448
Automatisierte Demontage und Aufbereitung von Lithium-Ionen-Batterien
In den Demontagearbeitsbereich integriert ist auch eine Nutzung der Restenergie aus den
Batterien als zusätzliche Arbeitsplatzbeleuchtung und zur Beheizung eines über einen
Wärmetauscher gekoppelten Warmwasserspeichers. Damit kann unmittelbar nach der
Gehäuseöffnung und noch vor der Demontage der einzelnen Komponenten eine sinnvolle
Nutzung der restlichen gespeicherten Elektroenergie erfolgen und die Tiefentladung der
Akkus sicher gestellt werden.
5. Robotergestützte Demontage
Auf der Basis der entwickelten Demontagetechnologie erfolgte die Umsetzung der automatisierten Zerlegung; damit in Zusammenhang stehend die Auswahl geeigneter Werkzeuge
für den Roboter sowie dessen Programmierung.
Entladungsstation
Demontagestation
4
3
2
Entladung abgeschlossen
Entladung
Kontakte frei
Gehäuse öffnen
Arbeitsroboter
Gehäuse
entfernt
5
Edelstahl
Gehäuse
vollständig
entfernen
Stoff 1
Stoff 2
Stoff 3
Demontage
u. Trennen
der Bestandteile
1
Identifizieren
und Zuführen
Li-IonenBatterie
Bild 6:
Stoff 4
Stoff 5
weitere Aufarbeitung
und Verwertung
Konzeption für einen Roboterarbeitsplatz zur Batteriedemontage
Zunächst wird durch den Roboter eine Öffnung des Akku-Behälters exakt an der Kontaktstelle mittels nicht leitender Werkzeuge vorgenommen, wonach die vollständige Entladung
der Batterie noch vor der kompletten Öffnung des Edelstahlmantels zur weiteren Demontage
erfolgt. Unmittelbar nach dieser vollständigen Tiefentladung ist die vollständige Demontage
bis zur Zellenebene vorgesehen, da sich ansonsten die Klemmenspannung relativ schnell
wieder aufbauen könnte.
Durch das komplett automatisierte Handling entfällt die Gefährdung des Personals. Außerdem ist mit dem Roboter eine weit exaktere Werkzeug- und Schnittführung möglich,
als es bei händischer Demontage wäre.
Nach dem Öffnen, der Entladung und der sukzessiven Demontage liegen der Li-Zellenblock
als Hauptkomponente sowie die weiteren Fraktionen jeweils separiert vor. Die Bilanzierung
zeigt beispielhaft für die Li-Traktionsbatterien mit zylindrischen Zellen die wichtigsten
demontierten Komponenten und deren weitere Verarbeitung bzw. Verwendung.
449
Peter Ay, Jens Markowski, Harry Pempel, Mike Müller
Bild 7:
Industrieroboter im Technikum
Bild 8:
Geöffnete Kontaktstelle zur Entladung der Batterie
Die Entwicklung eines Demontagesystems
für die Akkumulatoren mit prismatischen
Körpern (flache Zellen) erfolgte in ähnlicher
Weise. Zur weiteren Selektion der Katoden
und Anoden ist bei diesen Systemen die
Abtrennung der seitlichen Kunststoffhalterungen notwendig. Anschließend können
die einzelnen Bestandteile weiter separariert
werden.
Bild 9:
Tabelle 1:
Greifwerkzeug des Roboters mit
separiertem Zellenblock
Bilanzierung einer Traktionsbatterie mit zylindrischen Zellen und mögliche Verwertungswege
Komponente
Anteil
kg
Gehäuse (VA) und Schrauben
Zellen (separates Gehäuse)
möglicher Verwertungsweg
5,0
Schrottverwertung
16,0
weitere Aufbereitung
Abdeckung Zellen (mit Kunststoff ummantelte Leiterplatte)
1,1
weitere Aufbereitung
Kupferspulen, Kontakte, mit Kunststoff ummantelt
1,8
E-Schrott-Verwertung
seitliche Dämmschichten 0,7
Ersatzbrennstoff
Schrauben und Kühlanschluss (VA)
0,3
Schrottverwertung
Aluminiumteile
0,1Al-Verwertung
Gesamt25,0
450
Automatisierte Demontage und Aufbereitung von Lithium-Ionen-Batterien
6. Sortierung und Aufbereitung der Komponenten
aus den demontierten Li-Zellen
Die demontierten Li-Zellen sind nach der Li-WERT-Technologie so aufzubereiten, dass
eine Rückgewinnung der Metalle und anderen Materialien abgestimmt auf die jeweils
nachfolgenden Verwertungstechnologien möglich ist. Dazu sind insbesondere die Anoden,
Katoden und die Separatorschicht zu separieren.
Aufgrund der möglichen unterschiedlichen Katodenbeschichtungen ist es sinnvoll, bereits
während des Sortiervorganges eine Identifikation vorzunehmen. Für die schnelle In-situIdentifikation für Li[NixCoyMnz]-Katoden wurde deren Erkennung der mittels Laserplasmaspektroskopie (LIBS) erfolgreich getestet.
Intensität
counts
4.000
Cu
427,49 nm
Mn
293,3 nm
Cu
324,77 nm
327,38 nm
Ni
341,48 nm
Ni
352,45 nm
Ni
361,962 nm
Co
384,547 nm
387,312 nm
399,531 nm
Mn
403,27 nm
LIBS Spektrum Co-Ni-Mn im Graphitträger verpresst
3.000
2.000
1.000
0
250
275
300
350
325
375
400
425
450
500
475
Wellenlänge nm
Mn
O
Mn
Ni
C Co
F
Co
Al
Au
0
1
Au
2
Ni
Co
Mn
3
4
5
6
7
Ni
Au
8
Au
9
10
Au
11
12
13
14
keV
Skalenbereich 10963 cts Cursor: -0.722 (0 cts)
Bild 10:
Identifikation von Katodenmaterial mittels LIBS und vergleichend mit REM-EDX
Am Beispiel der prismatischen flachen Zellen mit Li(NixCoyMnz)-Katoden sind nachfolgend
die weiteren Aufbereitungsschritte und die jeweiligen Verwertungswege der Zellenkomponenten dargestellt:
Als problematisch bzw. mit sehr hohem Aufwand verbunden hat sich bei den Versuchen die
Rückgewinnung von Elektrolytflüssigkeit herausgestellt. Während es bei den zylindrischen
Zellen möglich ist, den flüssigen Elektrolyten gemeinsam mit einem Teil des Li-Salzes aus
451
Peter Ay, Jens Markowski, Harry Pempel, Mike Müller
• Abtrennen der seitlichen Halterungen, gesonderte Aufbereitung der abgetrennten
Randstreifen (KunststoffMetall-Verbunde)
• Schichtweises Öffnen der
einzelnen Zellen
• Separation der aus Aluminium
bestehenden Hülle für die
Aluminium-Verwertung
• Sukzessive Entnahme der
einzelnen Schichten (Anode,
Katode, Separatorfolie) durch
den Roboter, ggf. Prüfung der
Beschichtung
• Verwertung der separierten
Anodenfolien (beschichtete
Kupferfolie) ohne weitere
Vorbehandlung
• Nass-chemisch-mechanische
Abtrennung der Beschichtung
von den Separatorfolien
• Nachfolgend Trocknung des
Separatormaterials und Verwertung als EBS. Möglich ist
auch eine Aufarbeitung und
Wiederverwendung.
• Abgelöster Rückstand von
den Separatorfolien (enthält
Lithiumverbindungen), Aufkonzentration und nachfolgend Weiterverarbeitung
• Die abgelöste Beschichtung
liegt in Pulverform vor, weist
jedoch ungünstige Lager- und
Transporteigenschaften auf.
• Pelletierung des Co, Ni und
Mn enthaltenden Beschichtungsmaterials zur Verbesserung der Lager- und
Transportfähigkeit
• Nass-chemische Trennung der
Katodenfolie von der
Beschichtung
• Verwertung der gereinigten
Katodenfolie gemeinsam mit
den anderen AluminiumKomponenten
Bild 11:
Demontage und Aufbereitung von flachen Zellen mit Li(NixCoyMnz)-Katoden
den Zellen abzulassen und aufzufangen, ist dies bei den flachen Zellen bauartbedingt nicht
realisierbar. Bereits während der Öffnung und Demontage verdampft bei den flachen Zellen
der Elektrolyt unmittelbar und ist so einer Nachnutzung nicht zugänglich.
452
Automatisierte Demontage und Aufbereitung von Lithium-Ionen-Batterien
Dem gegenüber kann die Elektrolytflüssigkeit aus den zylindrischen Zellen nach dem Auffangen vom lithiumhaltigen Feststoff abgetrennt werden; danach sind beide Komponenten
jeweils separat für die Wiederverwendung aufzuarbeiten.
7. Aufbereitung und Verwertung weiterer Fraktionen
Neben dem äußeren Gehäuse der Li-Traktionsbatterien, für welches keine gesonderte Vorbehandlung erforderlich ist, sind als weitere Bauteile noch Elektro- und Elektronikschrott
(v.a. Leiterplatten, Kabel, Kontakte usw.) und aus Kunststoff bestehende Halterungen bzw.
innere Gehäuseteile für die weitere Verwertung aufzubereiten.
Die Leiterplatten und die restlichen Elektro- und Elektronikbauteile liegen nach der Demontage in einer Form vor, welche keine weiteren Aufbereitungsschritte erfordert. Aufgrund
der im Zusammenhang mit der Demontage erfolgten Sortierung liegen sie bereits getrennt
vor und können an spezialisierte Verwertungsbetriebe übergeben werden.
Bild 12:
Bild 13:
Leiterplatten nach der Demontage
Demontierte PP-Kunststoffteile
Für die separierten Kunststoffbauteile war
im Rahmen des Li-WERT-Konzeptes ursprünglich ausschließlich eine Verarbeitung
zum Ersatzbrennstoff vorgesehen. Bei der
Aufbereitung der inneren Gehäuseteile von
Akkus mit prismatischen Zellen zeigte sich
jedoch, dass während des Zerkleinerungsvorganges eine sehr gute Trennung der
PP-Hartkunststoffteile von den gelartigen
Zwischenlagen erfolgte. Durch eine nachfolgende Sichtung konnten die Hartkunststoffpartikel so weit von Störstoffen (v.a. dünne
Folienstücke) befreit werden, dass eine Verarbeitung mittels Extruder und damit eine
erneute Wiederverwendung möglich ist.
Das nach Abtrennung der PP-Bestandteile verbleibende Kunststoffgemisch sollte zur thermischen Verwertung in einer Rostfeuerungsanlage eingesetzt werden, da sich die gelartigen
Zwischenlagen als sehr adhäsiv erweisen, sich als Klumpen zusammenballen und Folien
und kleine Partikel daran haften bleiben. Eine weitere Aufbereitung erscheint angesichts
der kleinen Menge und der schwierigen Materialeigenschaften als nicht sinnvoll.
453
Peter Ay, Jens Markowski, Harry Pempel, Mike Müller
Bild 14:
Aufbereitete PP-Fraktion nach Sichtung
8. Resümee und Ausblick
Die Entwicklung der Li-WERT-Technologie zur Demontage und Verwertung von wertstoffhaltigen Komponenten aus Lithium-Traktionsbatterien zeigt, dass es technisch möglich ist, eine automatisierte Zerlegung und umfassende Aufbereitung der in Fahrzeugen
verwendeten Akkusysteme zu realisieren. Dabei hat sich gezeigt, dass mit der entwickelten
Technologie eine vollständige Verwertung der Batteriebestandteile zu erreichen ist. Die
gesetzlich geforderte Rückgewinnungsquote von > 50 % kann mit der Technologie sicher
erfüllt werden. Da die Demontage- und Aufbereitungsversuche generell mit Akkumulatoren
aus der Vorserie bzw. zu Testzwecken benutzten Aggregaten durchgeführt wurden, besitzt
das Verfahren eine sehr weit gehende Praxisnähe und kann für die Serienverarbeitung
kurzfristig in einer Industrieanlage umgesetzt werden. Für diese industrielle Umsetzung
wird vor allem von Bedeutung sein, welche Li-Akku-Systeme sich am Markt durchsetzen
und perspektivisch ein quantitativ nennenswertes Aufkommen bilden. Gegen geringfügige Abweichungen in konstruktiven Details und Weiterentwicklungen und für technische
Erweiterungen, z.B. neue Batteriebauformen, ist die Konzeption unempfindlich.
Bild 15:
Bauformen von Akkus mit zylindrischen Zellen in unterschiedlichen Gehäusen
Durch die Modularität der technologischen Konzeption ist es beispielsweise auch bei
Veränderung der Katodenbeschichtung, die bei zukünftigen Systemen voraussichtlich auf
Li(FePO)-Basis realisiert wird, nicht erforderlich, die gesamte Prozesskette von Grund auf
454
Automatisierte Demontage und Aufbereitung von Lithium-Ionen-Batterien
zu verändern. Auch Lithium-Akkus aus anderen Anwendungen (z.B. E-Bikes) können nach
geringfügiger Anpassung der Technologie automatisiert mittels Robotertechnik verarbeitet
werden. Damit bietet der Li-WERT-Prozess dem Demontagebetrieb eine hohe Flexibilität
und sichere Perspektive bei gleichzeitiger Realisierung einer modernen, automatisierten
und umweltfreundlichen Recyclingtechnologie.
9. Quellen
[1] Weye, R.: Stoffliche Verwertung moderner Batteriesysteme. Workshop Von Akku bis Zink-Kohle,
Sonderabfallgesellschaft Berlin-Brandenburg mbH, Potsdam, 9.11.2011
[2] Roland Berger Strategy Consultants: Global Vehicle LIB-Market Study. München/Berlin,
August 2011
[3] Stiftung Gemeinsames Rücknahmesystem Batterien: Jahresbericht 2010. Hamburg, 18.3.2011
[4] Buchmann, I.: Ist LithiumIon sicher? Batteries in a portable Worl – Handbook on recharchable
Batteries for Non-Engineers, 2011
[5] Heegn, H.; Rutz, R.: Effektiv getrennt - Recycling moderner Batterien, Teil 2: Aufbereitung von
Lithium-Ionen-Batterien. In: Aufbereitungstechnik (2009), Nr. 10
[6] Ziegler, M.: Chevrolet Volt: Simulierter Unfall – Brand brach drei Wochen später aus. http://
www.lithiumworld.de/chevrolet-volt-simulierter-unfall-brand-brach-drei-wochen-spaeteraus-1830, gefunden am 20.1.2012
455
Recycling und Rohstoffe
Thomé-Kozmiensky + Goldmann
Recycling und Rohstoffe
Band 2
Recycling und Rohstoffe
Band 3
Recycling und Rohstoffe Band 4
Peter Ay, Jens Markowski, Harry Pempel, Mike Müller
Thomé-Kozmiensky + Goldmann
Thomé-Kozmiensky + Goldmann
Inserat
Recycling 1 – 4
RECYCLING UND ROHSTOFFE
Band 1 und 2
KARL J. THOMÉ-KOZMIENSKY
DANIEL GOLDMANN
Volume 1
HRSG.
Eastern European Countries
Copyright © 2009 TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky
Alle Rechte vorbehalten.
Das Einspeisen der Daten in Netzwerke ist untersagt.
Herausgeber: Karl J. Thomé-Kozmiensky und Daniel Goldmann • Verlag: TK Verlag Karl Thomé-Kozmiensky
CD Recycling und Rohstoffe, Band 1 und 2
ISBN:
978-3-935317-51-1
Erscheinung:
2008/2009
Preis:
35.00 EUR
Recycling und Rohstoffe, Band 2
ISBN:
978-3-935317-40-5
Erscheinung:
2009
Gebundene Ausgabe: 765 Seiten
Preis:
35.00 EUR
Recycling und Rohstoffe, Band 3
ISBN:
978-3-935317-50-4
Erscheinung:
2010
Gebundene Ausgabe: 750 Seiten,
zahlreiche farbige Abbildungen
Preis:
50.00 EUR
Recycling und Rohstoffe, Band 4
ISBN:
978-3-935317-67-2
Erscheinung:
2011
Gebundene Ausgabe: 580 Seiten,
zahlreiche farbige Abbildungen
Preis:
50.00 EUR
Paketpreis
CD Recycling und Rohstoffe, Band 1 und 2 • Recycling und Rohstoffe, Band 2
Recycling und Rohstoffe, Band 3 • Recycling und Rohstoffe, Band 4
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oder
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D-16816 Nietwerder-Neuruppin
456
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statt 170.00 EUR
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