Schlussbericht Projekt KOLIBRI - Entwicklung nachhaltiger Komponenten für Li-Ionen-Batterien

Abstract

Das Projekt "Kolibri" lief von September 2022 bis Februar 2026 und verfolgte das Ziel, nachhaltige Komponenten für Lithium-Ionen-Batterien zu entwickeln. Im Zentrum stand die Idee eines Aerogel-rCB-Komposits als Ersatz für die Graphit-Anode einer Lithium-Ionen Batterie. Dabei sollte Aerogel aus nachhaltigen Ressourcen (Krabbenschalen) und das recovered Carbon Black (rCB) aus Altreifen gewonnen werden. Dazu wurden neben der Entwicklung des Aerogel-rCB Komposits fünf Hauptziele definiert: Die Herstellung eines hochreinen rCB (>99 %) im Labor- und Pilotmaßstab, die Erprobung eines aktivierten rCB aus Altreifen-Pyrolyse zum Vergleich, die Entwicklung eines Elektrolyten mit deutlich reduziertem Fluor-Anteil sowie schließlich der Einsatz der entwickelten Zelle unter Vakuum (Eignung im Weltraum) und die Herstellung und Analyse von Batteriezellen aus den neu entwickelten Materialien. Zusammenfassend betrachtet liegt der größte Erfolg des Projekts in der Reinigung des rCB: Fraunhofer IBP und RCB Nanotechnologies gelang es, den bestehenden hydrothermalen Reinigungsprozess so weiterzuentwickeln, dass sowohl in Labor als auch auf der Pilotanlage von RCB Nanotechhnologies eine Reinheit von >99 % erreicht wurde. Analytisch ließ sich dabei zeigen, dass die Verunreinigungen Siliciumdioxid und Zinkoxid von ursprünglich 13,5 % bzw. 5,3 % auf <1 Prozent bzw. wenige hundert ppm reduziert werden konnten. Parallel entwickelte die Firma E-Lyte im Auftrag von Fraunhofer einen Elektrolyten mit stark vermindertem Fluor-Anteil, der gute Kälte- und Wärmeeigenschaften aufweist. Auf dieser Basis stellte UniverCell schließlich Batteriezellen her, bei denen das hochreine rCB als Leitruß und der neue Elektrolyt zum Einsatz kamen. Über mehr als 500 Zyklen zeigten diese Zellen nahezu identische Ergebnisse wie Standardzellen, mit nur geringen und zudem reversiblen Abweichungen bei hohen Lade- und Entladeraten. Damit konnte im Projekt der zentrale Nachweis erbracht werden, dass ein aus Altreifen recyceltes, hochreines rCB einen herkömmlichen Leitruß in einer marktüblichen Batteriezelle vollwertig ersetzen kann. Nicht erreicht wurde bisher der vollständige Ersatz der Graphit-Anode durch das ein Aerogel-rCB-Komposit. Die entsprechenden Komposite zeigten zwar anfänglich durchaus hohe Kapazitäten, diese fielen jedoch nach den ersten Ladezyklen auf ein für den praktischen Einsatz zu niedriges Niveau ab. Auch siliziumhaltige Varianten konnten dieses Problem nicht lösen. Als Ausweg wurde stattdessen versucht, lediglich einen Teil des Graphits einer klassischen Anode durch rCB zu ersetzen: Ein Versuch mit 50 % Ersatzanteil lieferte vielversprechende Ergebnisse mit einer Endkapazität auf dem Niveau einer reinen Graphit-Anode, konnte aus Zeitgründen im Projekt aber nicht mehr vertieft werden und bleibt Gegenstand künftiger Arbeiten. Ebenfalls eingestellt wurde die Entwicklung eines aktivierten rCB: Die dabei von der portugiesischen Firma BB&G erzeugte, stark vergrößerte Oberfläche erwies sich als ungeeignet für den Batterieeinsatz, sodass sich das Konsortium stattdessen ganz auf die Reinheitssteigerung des hochreinen rCB konzentrierte. Im Projekt konnte aber gezeigt werden, dass das von BB&G durch die Altreifen-Pyrolyse gewonnene Carbon Char durch den Reinigungsprozess von Fraunhofer IBP ebenfalls zu einem in Reifen oder Batterien einsatzbares rCB aufbereitet werden kann. Darüber hinaus wurden im Projekt weitere Teilziele erreicht: Das DLR entwickelte ein spezielles, zum Patent angemeldetes Batteriegehäuse, mit dem eine Pouchzelle erfolgreich unter simulierten Weltraum- bzw. Vakuumbedingungen getestet wurde. Zeppelin konnte zeigen, dass das gereinigte rCB im Vergleich zu Standard-rCB ein deutlich besseres Fließ- und Schüttgutverhalten aufweist, was den industriellen Materialaustrag vereinfacht. Bei der Frage der Recyclingfähigkeit der Batteriekomponenten gelang zwar keine vollständige selektive Trennung aller Bestandteile mit dem untersuchten Verfahren nicht, es konnte aber gezeigt werden, dass sich das rCB wieder von der sogenannten Schwarzmasse abtrennen lässt.