AutoKlass – Automatische Klassierung von Partikeln aus Dispersionen zur Rohstoffrückgewinnung in der Anwendung

Hintergrund und Zielsetzung

Das erklärte Ziel der Bundesregierung, der Anteil an Elektrofahrzeugen in Deutschland in den nächsten Jahren deutlich zu erhöhen, bedeutet auch, dass der Bedarf an elektrischen Speichern signifikant steigt. Hierfür werden üblicherweise Lithium-Ionen-Batterien (LIB) verwendet. Die zu deren Herstellung benötigten Ressourcen sind begrenzt, ebenso ihre Lebensdauer. Dies macht die Entwicklung eines ressourcen- und energieeffizienten Recyclingverfahrens interessant.

Nach Aufbruch einer LIB liegen ihre Bestandteile (Interkalationsmaterial) als Mischung feiner Partikel in Flüssigkeit vor, welche es zunächst zu trennen gilt, um sie einzeln weiteren Prozessschritten zum Recycling zuzuführen.

Im Projekt AutoKlass entwickeln vier Partner gemeinsam einen solchen Trennschritt für das Aktivmaterial einer LIB-Kathode in einer Röhrenzentrifuge. Die zu recycelnde Suspension besteht hier aus einer Mischung von Lithiumeisenphosphat(LFP)- und Super C (Leitruß)-Partikeln in Wasser. Schnelldrehende Röhrenzentrifugen können die zur Abtrennung feiner Partikel notwendigen hohen Kräfte bereitstellen. Zur Klassierung ist die Zentrifuge exakt so einzustellen, dass nur LFP abgetrennt wird, während Leitruß im Wasser verbleibt.

Aufgrund des grundsätzlich nicht stationären Trennverhaltens von Röhrenzentrifugen stellt die richtige Betriebseinstellung eine besondere Herausforderung dar. In AutoKlass wird ein innovatives Konzept zur Regelung der Zentrifuge entwickelt, welches eine automatische Klassierung konstanter Qualität sicherstellt.

Projektbeschreibung und Partner

Das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC) beschäftigt sich u.a. mit Verfahren zu Batterieherstellung und -recycling. Die der Klassierung vor- und nachgeschalteten Prozessschritte von der ausgedienten zur recycelten Batterie/Zelle sowie die Materialien LFP und Leitruß im Detail werden von dieser Seite beigetragen.

Das Unternehmen Sympatec GmbH entwickelt im Rahmen von AutoKlass neue Messtechnik, welche mit Laserbeugung eine online-Messung der Partikelgrößenverteilung in Suspensionen erlaubt, auch im Nanometerbereich. Je eines der neuen Messgeräte wird am Ein- und Ausgang der Röhrenzentrifuge eingesetzt, als wichtiges Standbein des Regelkonzeptes, welches permanente Qualitätskontrolle gewährleistet.

Die Carl Padberg Zentrifugenbau GmbH (CEPA) baut u.a. schnelldrehende Röhrenzentrifugen. Eine solche ist Herzstück des Klassierungsprozesses in AutoKlass. In Zusammenarbeit mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT-Institut MVM) wird ein intelligentes Konzept zur Regelung der Zentrifuge erarbeitet. Dieses basiert auf einem Echtzeit-Simulationsmodell des Apparats und erlaubt somit eine zuverlässige Klassierung, trotz sich ständig verändernder Prozessbedingungen in der Röhrenzentrifuge.

Das Echtzeit-Simulationsmodell ist Forschungsthema am KIT-IMVM. Zur akkuraten Beschreibung ist eine genaue Untersuchung des Materialverhaltens bei Sedimentation und Sedimentaufbau notwendig, wobei die Untersuchung und Beschreibung für eine Mischung zweier Feststoffe eine neue Herausforderung darstellt.

Die richtige Einstellung der Drehzahl und des Volumenstroms in die Zentrifuge bestimmt die Qualität der Klassierung. Die beiden Parameter dienen als Stellgrößen für die Regelung. Folgende Abbildung zeigt den Gesamtaufbau des Klassierungsprozesses inklusive Regelung und wie die Bereiche der Projektpartner damit zusammenhängen.