Präzise Charakterisierung von Schwarzmassen als Schlüssel für effizientes Batterierecycling

Die aktuelle EU-Batterieverordnung schreibt ambitionierte Recycling-Quoten vor. Zentrale Voraussetzungen für effizientes Batterierecycling sind jedoch intelligente Recyclingprozesse, die verlässliche Bewertung und die hochwertige Aufbereitung von Recyclingmaterialien aus Lithium-Ionen-Batterien. Mit dem Projekt SHERLOCK startet ein Forschungsvorhaben, das diese Herausforderungen angehen will, ein weiterer Baustein auf dem Weg zu einer wirtschaftlichen und nachhaltigen Kreislaufführung von Batterien.

Angesichts begrenzter Ressourcenverfügbarkeit und steigender regulatorischer Anforderungen gewinnt das Batterierecycling weiter an Bedeutung. Für deutsche und europäische Elektromobilitäts-Anbieter ist eine resiliente, nachhaltige Wertschöpfungskette entscheidend. 

Neben leistungsfähigen Recyclingverfahren rückt dabei insbesondere die analytisch belastbare Charakterisierung von Prozesszwischenprodukten in den Fokus.

Ein solches zentrales Zwischenprodukt ist die sogenannte Schwarzmasse. Das feinkörnige Material enthält wertvolle Elemente wie Lithium, Nickel, Kobalt und Graphit, seine Zusammensetzung variiert jedoch stark in Abhängigkeit von Batterietyp, Alterungszustand, Nutzungshistorie und Recyclingprozess. Diese Variabilität sowie vorhandene Verunreinigungen erschweren bislang die Weiterverarbeitung und können zu Effizienzverlusten oder Qualitätseinbußen bei Rezyklaten führen.

Entwicklung standardisierter Güteklassen für Recyclingprodukt »Schwarzmasse«

Hier setzt SHERLOCK an: Das Projekt entwickelt neue Analyse- und Charakterisierungsmethoden, die eine präzise und reproduzierbare Bewertung von Schwarzmassen ermöglichen. Ziel ist es, standardisierte Güteklassen zu definieren und konkrete Empfehlungen für nachgelagerte Recyclingprozesse abzuleiten. Grundlage der Arbeiten sind sowohl reale industrielle Schwarzmassen als auch gezielt hergestellte Modellmaterialien mit definierten Eigenschaften. Sie ermöglichen es, die Auswirkungen spezifischer Verunreinigungen systematisch zu untersuchen und analytische Verfahren gezielt zu validieren. 

Ein besonderer Fokus liegt auf der Untersuchung der Einflüsse von Störstoffen auf direkte und hydrometallurgische Recyclingverfahren. Daraus entsteht ein umfassender Kriterienkatalog zur Bewertung von Schwarzmassen, der künftig eine prozessoptimierte Auswahl von Recyclingpfaden erlaubt. Parallel werden neue Verfahren zur gezielten Entfernung von Verunreinigungen entwickelt, um die Qualität der zurückgewonnenen Rohstoffe signifikant zu steigern.

Innovative Analysemethoden spielen dabei eine zentrale Rolle. Neben etablierten Verfahren wie Synchrotron-Röntgenfluoreszenzanalyse (SR-XRF), Totalreflexions-Röntgenfluoreszenzanalyse (TXRF) und Optische Emissionsspektrometrie bzw. Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES/MS) werden im Projekt unter anderem zeitbereichsbasierte Kernspinresonanz (TD-NMR), Magnetpartikelspektroskopie (MPS/COMPASS) sowie die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIBS) eingesetzt. Diese Methoden ermöglichen eine detaillierte Charakterisierung struktureller, magnetischer und chemischer Eigenschaften von Schwarzmassen und liefern wertvolle Informationen zur Zusammensetzung, Reinheit, Heterogenität und zum Gefährdungspotenzial von Schwarzmassen. Dadurch können Materialströme gezielter klassifiziert, sicherheitstechnisch bewertet und einer hochwertigen Weiterverarbeitung zugeführt werden.

Übertragbare und skalierbare Methodik

Als wesentliches Projektergebnis wird eine technische Spezifikation erarbeitet, die standardisierte Richtlinien für Probenvorbereitung, Kalibrierungsstrategien und Messbedingungen definiert. Damit schafft SHERLOCK die Grundlage für eine übertragbare und industriell skalierbare Analytik, die sowohl in Forschungslaboren als auch in der Praxis zuverlässig eingesetzt werden kann. Diese Spezifikation soll auch in DIN- und ISO-Normungsausschüsse eingebracht werden.

Darüber hinaus bewertet das Projekt das Potenzial hybrider Recyclingprozessketten, die direkte und hydrometallurgische Ansätze gezielt kombinieren. Ziel ist es, Synergien zu nutzen und die Effizienz der Materialrückgewinnung weiter zu steigern.

Starkes Konsortium entlang der Wertschöpfungskette

Am Projekt beteiligt sind die Universität Münster (MEET Batterieforschungszentrum), die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Berlin), die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (Berlin), das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (Würzburg), das Öko-Institut e.V. (Darmstadt) sowie die Industriepartner Pure Devices GmbH und phase VISION GmbH (beide Rimpar). Unterstützt wird das Konsortium durch assoziierte Partner aus der Recyclingbranche, die das Projekt mit Schwarzmassen aus deren Recyclingprozessen versorgen und das Projekt thematisch beratend unterstützen.

Mit SHERLOCK wird ein entscheidender Schritt hin zu einer datengetriebenen, qualitätsgesicherten Kreislaufwirtschaft im Batterierecycling ermöglicht. Und auch zur Reduktion von Treibhausgasemissionen um bis zu 25 Prozent können der optimierte Recyclingprozess und die effiziente Rückführung von Sekundärrohstoffen in den Produktionskreislauf beitragen. Das Projekt stärkt die technologische Souveränität der Industrie und leistet einen wichtigen Beitrag zur nachhaltigen Transformation der Elektromobilität.

Projektpartner

Pure Devices GmbH (Projektkoordination), phase VISION GmbH, Universität Münster - MEET Batterieforschungszentrum, Öko-Institut e.V., Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Fraunhofer ISC (Co-Koordination)