Ein Konsortium von Firmen und Forschungseinrichtungen arbeitet an einem Verfahren, mit dem sich schnell und zuverlässig entscheiden lässt, ob gebrauchte Lithium-Ionen-Batterien noch für weitere, so genannte Second-Life-Anwendungen geeignet sind oder ob sie in die Wiederverwertungsanlage gehören. Es geht also, kurz gesagt, um Upcycling oder Recycling – eine Frage, die sich vor allem bei den Batterien von Elektroautos stellt. Diese erreichen häufig einen Zustand, in dem sie für die Anforderungen der Elektromobilität nicht mehr geeignet sind, sehr wohl aber noch für stationäre Anwendungen, unter anderem für Photovoltaik-Anlagen.
Dieses Upcycling hat sich allerdings „trotz des erheblichen Potenzials zur Ressourcenschonung“ bislang noch nicht durchgesetzt, heißt es in einer Mitteilung des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, das im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts „QuaLiProM“ in einem interdisziplinären Projektteam mitarbeitet. Ziel ist die Überführung der Methode in die industrielle Anwendung. Koordiniert wird das Projekt von dem Unternehmen Industrial Dynamics, weitere Mitglieder des Konsortiums sind die Firmen Nehlsen, Sekels und Battery Dynamics sowie die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU). Das Forscherteam könne „mithilfe einer Hochgeschwindigkeitsmessmethode und KI eine anwendungsreife Lösung ermöglichen.“
Die Messmethode, um die es geht, heißt Quantenmagnetometrie und „ermöglicht eine schnelle, kostengünstige und präzise Bestimmung des Gesundheitszustandes von Batteriezellen“. Den Angaben zufolge lassen sich insbesondere „Defekte, Verunreinigungen und der Ladungszustand“ ermitteln. In der gründlichen Analyse sowie in dem Umstand, dass für das Verfahren keine Kontaktierung der Zellen erforderlich ist, sieht das Projektteam großes Potenzial, um in Kombination mit Künstlicher Intelligenz eine „Hochgeschwindigkeitsmessmethode“ für industrielle Anwendungen zu etablieren.
Die Alterung von Lithium-Ionen-Batterien, die sowohl während der Lagerung als auch im Betrieb eintritt, wirkt sich auf Energie und Leistung aus, die im Vergleich zum Neuzustand noch erreichten Werten werden üblicherweise als „State-of-Health“ (SoH, Gesundheitszustand“) bezeichnet. Ermittelt wird der SoH überwiegend durch elektrochemische Messungen. Deren Resultate seien aber „ohne den Bezug zu den initialen Werten der Zellen im Neuzustand nur wenig aussagekräftig“ und lieferten „lediglich Informationen zum globalen Zustand der Zelle, während Defektstellen oder Ladungshotspots nicht eindeutig identifiziert werden können.“ Wegen der erforderlichen elektrischen Kontaktierung seien die gängigen Verfahren zudem „nicht zur Schnelldiagnostik geeignet“.
Im Projektkonsortium ist Industrial Dynamics dafür zuständig, „die entwickelte Methodik von der Laborebene in die industrielle Anwendung zu überführen“. Das Recycling-Unternehmen Nehlsen entwickelt das Layout für auf dem Magnetfeldsensor basierende Recycling-Sortieranlage. Das Verfahren soll allerdings nicht allein für Recycling beziehungsweise Upcycling eingesetzt werden, sondern auch in der Fertigung von Batteriezellen; die Etablierung in entsprechenden Prozessen gehört zu den Aufgaben der FAU. Sekels entwickelt den Prototyp einer speziell für die Qualitätskontrolle von Lithium-Ionen-Zellen geeigneten magnetischen Feldabschirmung. Der Beitrag von Battery Dynamics ist ihre „Expertise in der elektrochemischen Alterungsdiagnostik“, und das Fraunhofer IFAM steuert „Deep-Learning-Methoden zur automatischen SoH-Klassifizierung von Batteriezellen“ bei und bewertet außerdem „den ökologischen Mehrwert von Upcycling-Strategien im Vergleich zum Recyclingansatz.“
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Wenn, wie viele prognostizieren, die Zellpreise bald in der Größenordnung 25-30 Euro/kWh liegen (insbesondere die für stationären Einsatz prädestinierten Natriumzellen), dürfte es für Upcycling kaum noch einen Markt geben. Wenn 60 kWh an neuen Zellen mit 15-20 Jahren Lebensdauer, 1500-1800 Euro kosten, dann macht Upcycling wirtschaftlich wenig Sinn. 80 kWh aus einem VW auszubauen, ggf. tausende Zellen zu untersuchen (im gängigen 2170-Format wären das gut 4.000 Zellen), den Akku neu zu verschalten, um dann noch mal 6-10 Jahre Nutzungsdauer zu gewinnen, das wird wirtschaftlich wahrscheinlich nicht aufgehen und Recycling die Standardoption sein. Liegen Zellpreise eher bei 100 Euro/kWh, wäre es eine andere Rechnung.