DemoSens - Digitalisierung einer automatisierten Demontage und sensorgestützten mechanischen Aufbereitung von Lithium-Ionen-Batterien für ein hochwertiges Recycling

Prozesskette DemoSens (Quelle PEM RWTH Aachen)

Die Elektromobilität ist eine Schlüsseltechnologie zur Erreichung ambitionierter Klimaziele, die in den nächsten Jahren umfassend ausgebaut werden soll. Die Bereitstellung der erforderlichen Energie erfolgt dabei über Batterien, die aus einer Vielzahl von Lithium-Ionen-Batteriezellen zusammengesetzt und im jeweiligen Fahrzeug verbaut werden. Bei der Batterieherstellung variieren sowohl die Zellformen, als auch die Zellchemie, so dass bereits jetzt eine Vielzahl an Batterietypen auf dem Markt ist. Diese Flexibilität erschwert ein effizientes Recycling von Altbatterien zunehmend. Um die Aufbereitung und Rückgewinnung der wertvollen Batteriebestandteile effizient zu gestalten, ist insbesondere eine umfassende, d. h. auch zeitaufwändige, Demontage der Batteriepacks von großer Bedeutung.

Im Rahmen des Projekts DemoSens soll das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) aus Elektrofahrzeugen entlang der gesamten Prozesskette von der Demontage über die Sortierung bis hin zur mechanischen Aufbereitung umfassend digitalisiert und automatisiert werden. Bislang wird die Demontage von LIB dabei manuell und nur mit einer sehr geringen Demontagetiefe (z. B. Entfernung des Kabelbaums) durchgeführt. Freigelegte und für eine Materialtrennung zerkleinerte Batteriemodule und -zellen werden anschließend mit klassischen Trennverfahren wie Sichtung und Siebung aufbereitet.

Im Rahmen von DemoSens soll erstmals eine vollautomatische Demontage mit Hilfe von Robotern erfolgen und die aus der anschließenden mechanischen Aufbereitung resultierenden Fraktionen mit sensorbasierten Systemen weitergehend aufbereitet bzw. sortiert werden. Ein Abgleich der Informationen aus Demontage und mechanischer Aufbereitung ermöglicht dabei eine iterative und wechselseitige Anpassung der Prozessschritte Demontage und mechanische Aufbereitung.

In einer Pilotanlage wird ein Robotersystem für großvolumige und schwere Komponenten aufgebaut, welches in der Lage ist mittels optischer Sensorsysteme und verschiedener Trennverfahren eine Demontage bis auf Modul-/ Zellebene durchzuführen. Damit der Roboter die entsprechenden Arbeitsschritte selbstständig und selbstregulierend durchführen kann, werden angepasste Machine Learning Verfahren entwickelt. Durch sensorbasierte Materialerkennung können die Batteriesystemkomponenten während der Demontage entsprechenden Sortierfraktionen zugeführt werden. Hierdurch werden anschließende Recyclingprozesse in ihrer Flexibilität und Effizienz gesteigert. Die demontierten Fraktionen sowie Speicherkomponenten der Batterien (Module / Zellen) werden sowohl direkt als auch nach einer mechanischen Aufbereitung mit Hilfe verschiedener Techniken entsprechenden Sortierfraktionen zugeordnet. Hierzu sollen neben einem zu entwickelnden Kennzeichnungssystem (z. B. mittels RFID-Chips), welches insbesondere die Demontage unterstützen soll, auch sensorbasierte Systeme für die Erkennung und Sortierung (z. B. Bilderkennung mit anschließendem mechanischen Trennsystemen etc.) geprüft werden. Letztere sollen sowohl die Demontage als auch die mechanische Aufbereitung unterstützen, so dass die erhaltenen Aufbereitungsfraktionen einem optimierten Recycling zugeführt werden können. Die Verknüpfung zur ebenfalls zu berücksichtigenden metallurgischen Aufbereitung wird durch fortlaufende Materialcharakterisierungen und Modellierung pyro- und hydrometallurgischer Prozesse sichergestellt.

Schwerpunkte des IWARU sind die Digitalisierung der mechanischen Aufbereitung, insbesondere durch den Einsatz sensorbasierter Sortiersysteme sowie der Entwicklung innovativer Kennzeichnungssysteme. Darüber hinaus übernimmt die FH Münster die Leitung des Verbundprojektes.

Das Projekt DemoSens ist Bestandteil des BMBF-Kompetenzclusters Recycling / Grüne Batterie, kurz Green Battery. Durch die enge Verzahnung zur Forschungsfertigung Batteriezelle (FFB, Münster) und dem in diesem integrierten „Demonstrationszentrum Lithium-Ionen-Batterie Recycling“ (Ibbenbüren) ist ein unmittelbarer Transfer erreichter Erkenntnisse in die Wirtschaft sichergestellt.