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Innovatives Kassettenkreislaufkonzept für das Kalzinieren von Kathodenaktivmaterial „Innokass“

Ausgangssituation
Die Elektromobilität wird als wesentlicher Baustein für die Energiewende und die Erreichung der Klimaziele gesehen, mit dem Ziel 15 Millionen EV/HEV im Jahre 2030 auf deutschen Straßen zu bringen. Die Klimabilanz der Elektromobilität wird dabei maßgeblich von ihrer Herstellungskette und ihren Produktionsprozessen mitbestimmt, die damit ausschlaggebend bei der Erreichung von Klimazielen und zum Erhalt einer intakten Umwelt sind. In Elektrofahrzeugen kommen überwiegend Lithium-Ionen-Batterien zum Einsatz. Eine wesentliche Komponente in den Batterien sind Kathodenaktivmaterialien (CAM) wie beispielsweise Nickel-Kobalt-Mangan- (NCM) Verbindungen. Die Herstellung des Kathodenaktivmaterials NCM erfolgt über einen Kalzinierungsschritt, bei dem das Li(Co/Ni/Mn)O2 Material in Al2O3 /SiO2-basierten Brennkassetten über mehrere Stunden bei Temperaturen um ca. 800 °C thermisch behandelt werden. Während dieses Prozesses dringen umweltschädliche und giftige Metalle wie Li, Ni, Co, Mn dauerhaft in das keramische Kassettenmaterial ein. Besonders intensiv reagiert Li mit der Keramik und setzt infolge von Rissbildung und nachteiliger Gefügeveränderungen die Lebensdauer der Brennkassetten auf nur ca. 10 Brände herab.

Bisher werden die keramischen Brennkassetten zur CAM-Prozessierung hauptsächlich in Asien hergestellt und nach der Verwendung entsorgt. Schätzungen aus 2021 besagen, dass der Markt für CAM bis 2030 auf bis 4200 kt Jahr steigen wird. Damit verbunden sind riesige Entsorgungsmengen an kontaminierten Brennkassetten und der Verlust wertvolle Metalle, deren Gewinnung oftmals enorme Umweltschäden in den Herkunftsländern verursacht. Mit der zunehmenden Etablierung der Produktion der Batteriekomponenten in Europa und der Verringerung der Abhängigkeit vom asiatischen Markt gelten strenge europäische Umweltstandards bzgl. der Herstellungsprozesse, aber auch der Verfahrensweisen mit entstehenden Abprodukten.

Projektziel
Gegenstand und Projektziel ordnen sich in ein von den Antragstellern erstelltes Konzept zur Kreislaufwirtschaft für keramische Brennkassetten im Wärmebehandlungsprozess von Kathodenaktivmaterial (CAM) ein. Ziel des Kreislaufkonzepts ist es mit neu entwickelnden korrosionsbeständigen Schichten die Lebensdauer von Brennkassetten zu erhöhen, die Wiederverwendbarkeit des keramischen Kassettengrundkörpers zu ermöglichen und damit die Entsorgungsmengen von mit NCM kontaminiertem Material deutlich zu vermindern.
Durch ein effizientes Abtragsverfahren soll die kontaminierte Schicht als hochkonzentrierte Recyclingmasse gewonnen und die enthaltenen Metalle über eine chemische Rückgewinnung extrahiert werden. Diese Reduzierung der kontaminierten Abproduktmenge und die Rückgewinnung der darin enthaltenen Metalle leisten einen erheblichen Beitrag zur Entlastung der Umwelt und zum sparsamen Umgang mit vorhandenen Ressourcen.

Projektlaufzeit: 01.04.2024 bis 30.06.2026
Förderkennzeichen: 39082/01 – 21

Projektpartner: Fraunhofer IKTS Dresden

Ansprechpartner:
Johannes Rösler; roesler@roesler-ceraminno.de