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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbereiten von gebrauchten Batterien nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Batterien, insbesondere Hochleistungs- oder Hochvolt-Batterien, wie sie als Batterien in elektrifizierten oder teilelektrifizierten Antriebssträngen von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Diese bestehen typischerweise aus einer Vielzahl von einzelnen Batteriezellen, welche zu der Gesamtbatterie verschaltet sind. Die Batterieeinzelzellen sind dabei in einer geeigneten Technologie ausgeführt, beispielsweise in Nickel-Metallhydrid-Technologie oder insbesondere in Lithium-Ionen-Technologie. Im Gegensatz zu Batterien, wie sie in Produkten der Unterhaltungselektronik oder des täglichen Lebens eingesetzt werden, weisen derartige Traktionsbatterien einen sehr hohen Energieinhalt auf und haben im allgemeinen eine höhere Anzahl von Batterieeinzelzellen, typischerweise zwischen 30 und 200 Zellen. Sie haben eine entsprechend hohe Kapazität und eine entsprechend hohe Leistung beziehungsweise Spannung. Derartige Hochleistungsbatterien sind außerdem vergleichsweise teuer, sodass eine möglichst lange Lebensdauer der Batterien angestrebt wird, um durch eine hohe Lebensdauer, den sogenannten Life-Cycle, der Batterien die Gesamtkosten zu senken.
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Insbesondere an die Traktionsbatterien, wie sie in zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen eingesetzt werden, werden vergleichsweise hohe Anforderungen hinsichtlich der Dynamik beim Laden und Entladen gestellt. Außerdem durchlaufen diese sehr viele Lade- und Teilladezyklen, da immer beim Abbremsen des Fahrzeugs Energie eingespeichert wird, welche bereits kurz darauf bei einem Wiederbeschleunigen typischerweise aus der Batterie wieder entnommen wird. Dadurch können im Bereich der Traktionsbatterien für zumindest teilweise elektrifizierte Antriebsstränge nur qualitativ hochwertige Zellen eingesetzt werden. Da diese im Laufe der Zeit altern und hinsichtlich ihrer Performance nachlassen, wird häufig eine zweite Nutzung der gebrauchten Batterien diskutiert, welche beispielsweise in weniger dynamischen stationären Notstromanlagen oder dergleichen vorgesehen werden kann. Hierfür können dann Batterien eingesetzt werden, welche, „als sie noch jung waren”, bereits als Traktionsbatterie in einem Fahrzeug gedient haben. Diese Weiternutzung gebrauchter Batterien wird auch als Second Life bezeichnet.
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Nun ist es jedoch festzustellen, dass mit zunehmender Lebensdauer der Batterie die ursprünglich sehr homogenen Einzelzellen mit der Zeit divergieren. Es kommt zu einem von Zelle zu Zelle unterschiedlichen Abfall der Kapazität und zu einem Anstieg der Innenwiderstände und der Selbstentladungsraten der verschiedenen Batterieeinzelzellen. Sie haben damit innerhalb eines Zellverbunds beziehungsweise einer Batterie unterschiedliche Eigenschaften und unterschiedliche Alterungszustände, da sie unterschiedlich belastet werden. Diese Unterschiede gehen dabei teilweise auf Abweichungen und Toleranzen bei der Herstellung der Batterieeinzelzellen zurück, zum Teil jedoch auf eine unterschiedliche Alterung im Zellverbund, da einzelne Zellen häufiger überladen wurden als andere, oder auf Inhomogenitäten in der Kühlung der Batterie.
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Nun ist es so, dass die Batterie insgesamt nur so lange betrieben werden kann, wie alle Batterieeinzelzellen über einem vorgegebenen Spannungsminimalwert liegen. Sinkt eine einzelne oder gegebenenfalls auch mehrere Batterieeinzelzellen unter diesen vorgegebenen Wert, dann ist die Lebensdauer der Batterie erschöpft und diese muss ausgetauscht werden. Die gebrauchte und defekte Batterie kann dann beispielsweise einem Materialrecycling zugeführt werden, wobei in der Batterie durchaus interessante Materialien, wie beispielsweise Kobalt, Nickel und Lithium vorliegen. Diese können durch pyro- oder hydrometallurgische Verfahren zurückgewonnen werden. Der Nachteil liegt dabei jedoch darin, dass der Wiedergewinnungswert im Vergleich zu den Herstellungskosten der Batterie äußerst gering ist.
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Daher ist die oben bereits beschriebene Alternative, die Batterie einer zweiten Nutzung zuzuführen, aus ökologischen und ökonomischen Gründen sicherlich zu bevorzugen. Dazu werden die defekten Zellen ausgebaut und durch neue Batterieeinzelzellen ersetzt. Die Problematik, dass nun Inhomogenitäten der Batterieeinzelzellen vorliegen, wird dadurch jedoch nicht verringert, sondern weiter verstärkt, da nun neue Batterieeinzelzellen mit teilweise bereits sehr stark gealterten Batterieeinzelzellen in einer Batterie verbaut sind. Die Lebensdauer einer solchen Batterie wird dann ebenfalls vergleichsweise niedrig sein, sodass diese nur ein vergleichsweise kurzes „Second Life” erlebt, bevor sie dann doch dem Recycling zugeführt werden muss.
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Es ist daher die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die Lebensdauer einer Batterie insgesamt zu verlängern und dadurch die Batteriekosten über der Lebensdauer zu senken.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auf besonders vorteilhafte Weise eine dauerhaftere Aufbereitung von gebrauchten Batterien, ohne die Notwendigkeit, vergleichsweise teure neue Zellen einsetzen zu müssen. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in einem ersten Verfahrensschritt gebrauchte Batterien gesammelt und soweit demontiert, dass die Batterieeinzelzellen als Einzelzellen vorliegen. In einem zweiten Verfahrensschritt werden die Batterieeinzelzellen dann vermessen, wobei defekte Zellen aussortiert werden und wobei die noch funktionierenden Zellen nach ihren elektrochemischen Eigenschaften klassiert werden. Dies bedeutet, dass Batterien mit vergleichbaren elektrochemischen Eigenschaften einer Klasse zugeordnet werden, um so jeweils eine Vielzahl von der gleichen Klasse zugeordneten Batterieeinzelzellen derselben Bauart zu bekommen, welche jedoch aus unterschiedlichen Batterien stammen können. In einem dritten Verfahrensschritt wird aus den gebrauchten Batterieeinzelzellen derselben Klassierung dann wieder eine Batterie aufgebaut.
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Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass innerhalb der neu aufgebauten beziehungsweise remontierten Batterie die Batterieeinzelzellen zumindest im Rahmen der Grenzen der Klassierung vergleichbare elektrochemische Eigenschaften aufweisen und somit aus den derselben Klasse entstammenden Batterieeinzelzellen eine Batterie mit sehr homogener Verteilung der elektrochemischen Eigenschaften ihrer Batterieeinzelzellen entsteht. Dabei ist zwar das Leistungsniveau dieser aus den gebrauchten Batterieeinzelzellen derselben Klassierung neu aufgebauten Batterie schlechter als das einer neuen Batterie nach der Herstellung, im Hinblick auf die Einheitlichkeit der Batterieeinzelzellen ist diese jedoch einer neuen Batterie ebenbürtig. Die überholte Batterie kann so wieder über eine vergleichsweise lange Lebensdauer, vorzugsweise in einer Anwendung mit eher geringer dynamischer Anforderung, betrieben werden, und zwar so lange, bis eine weitere Batterieeinzelzelle unter den Grenzwert fällt. Dann kann sie erneut der Aufbereitung der gebrauchten Batterie zugeführt werden, wobei immer nur die defekten Zellen aussortiert und vorzugsweise stofflich recycelt werden. Insgesamt lässt sich so eine sehr hohe Lebensdauer einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen realisieren, sodass insgesamt die über die Lebensdauer gerechneten Kosten sinken und die Anwendung von derartigen Batterien ökonomisch und ökologisch vorteilhafter wird.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass zur Klassierung und zur Bestimmung der elektrochemischen Eigenschaften zumindest der Innenwiderstand der jeweiligen Batterieeinzelzelle erfasst wird. Dieses Erfassen des Innenwiderstands ist über eine vergleichsweise einfache und zuverlässige Messung möglich. Da der Innenwiderstand der Batterieeinzelzelle mit ihrer Alterung zusammenhängt, kann bereits über das alleinige Messen des Innenwiderstands eine sehr gute Einschätzung der Alterung der Batterie und damit eine sehr gute Klassierung bei sehr geringem Messaufwand realisiert werden.
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In einer weiteren besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass bei der Klassierung außerdem die Kapazität und/oder die Selbstentladung mit berücksichtigt wird. Über die Erfassung dieser Werte besteht die Möglichkeit, die Klassierung der Batterieeinzelzellen anhand ihrer elektrochemischen Eigenschaften noch weiter zu verbessern, um so beim Wiederaufbau von gebrauchten Batterien aus Batterieeinzelzellen derselben Klassierung außerordentlich homogene und langlebige gebrauchte Batterien herstellen zu können.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es außerdem vorgesehen, dass auch die mechanischen Eigenschaften der Batterieeinzelzellen in die Klassierung mit einfließen, sodass beispielsweise die Batterieeinzelzellen auch hinsichtlich ihrer zu erwartenden mechanischen Lebensdauer, beispielsweise aufgrund von geringfügigen mechanischen Beschädigungen, Kratzern und dergleichen, klassiert werden. Damit lässt sich verhindern, dass innerhalb einer Batterie mechanisch noch sehr stabile Zellen mit mechanisch bereits labileren älteren Zellen kombiniert werden und so ein Ausfall der Batterie nicht aufgrund der elektrochemischen Eigenschaften, sondern durch das Auftreten mechanischer Leckagen oder dergleichen beschleunigt wird. Sobald eine mechanische Beschädigung so stark ist, dass zu erwarten ist, dass die Batterieeinzelzelle einer längeren Lebensdauer mechanisch nicht gewachsen ist, wird diese trotz gegebenenfalls noch guter elektrochemischer Werte aussortiert und analog zu den elektrochemisch defekten Zellen vorzugsweise einem stofflichen Recycling zugeführt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel, welches unter Bezugnahme auf die Figur nachfolgend näher dargestellt ist.
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Die einzige beigefügte Figur zeigt den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In der einzigen beigefügten Figur ist der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bei welchem Batterien B in einem ersten Verfahrensschritt gesammelt werden, nachdem sie aufgrund von Defekten ausgefallen sind. Diese Altbatterien B sind dabei jeweils aus einer Anzahl N von Batterieeinzelzellen z aufgebaut. In einem zweiten Verfahrensschritt sind die jeweils N Batterieeinzelzellen z1 .. ZN der sechs dargestellten Batterien B einzeln nach einer Demontage der Batterien B dargestellt. Die Batterieeinzelzellen z werden nach der Demontage entsprechend vermessen, um sie einer Klassierung zuzuführen. Die Klassierung erfolgt dabei anhand der elektrochemischen Werte, welche auf die Degradationsrate ν der einzelnen Batterieeinzelzellen z zurückschließen lassen. Eine gewisse Anzahl von Batterieeinzelzellen z, welche hier mit zi.1 bezeichnet sind, wobei die Nummern der Batterie darstellen soll, wird dabei defekt sein. Diese werden im nächsten Verfahrensschritt aussortiert und können bevorzugt einem stofflichen Recycling zugeführt werden, was in der Darstellung der einzigen Figur durch eine mit A gekennzeichnete Box dargestellt ist. Die noch funktionierenden Batterieeinzelzellen z werden in verschiedene Klassen 2 .. N eingeteilt, je nach Degradationsrate ν beziehungsweise den elektrochemischen Eigenschaften der jeweiligen Batterieeinzelzelle z. Aus den in jeder Klasse 2 ... N gesammelten Batterieeinzelzellen z werden dann wieder Batterien B aufgebaut. In der Darstellung der einzigen Figur sind dies beispielhaft zwei Batterien BR, welche in der Darstellung der einzigen Figur mit dem Index R bezeichnet sind, um sie als wiederaufgebaute beziehungsweise remontierte Batterien BR zu kennzeichnen.
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Für eine überschlägige Abschätzung des Lebensdauervorteils durch das erfindungsgemäße Verfahren wird nun davon ausgegangen, dass jede der gebrauchten und defekten Batterien B aus einer Anzahl von N Batterieeinzelzellen z1 .. zN mit jeweils unterschiedlichen Degradationsraten ν1 .. νN, wobei die Benennung so gewählt ist, dass ν1 die größte Degradationsrate ν ist und somit gilt: ν1 ≥ ν2 ≥ ... ≥ νN.
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Die Lebensdauer der Batterie B ist bestimmt durch die „schlechteste” Batterieeinzelzelle z bestimmt und ergibt sich zu t1 = ΔU/ν1, wobei ΔU die maximal zulässige Änderung der jeweiligen Eigenschaft, also beispielsweise der Kapazität, des Innenwiderstandes und/oder der Selbstentladungsrate, bezeichnet. Bei einer Anzahl N an Batterie B ergibt sich eine Gesamtbetriebsstundenzahl T beziehungsweise Gesamtlebensdauer von T = N·t1. Die Anzahl N der Batterien B soll im Beispiel der Einfachheit halber gleich der Anzahl N der Batterieeinzelzellen z sein, damit das nachfolgend beschriebene Klassieren „aufgeht”. In der Praxis ist eine zumindest grobes „Aufgehen” aufgrund der Vielzahl an Batterien B, welche den Verfahren zugeführt werden können und aufgrund von längeren Lagerungszeiten der Batterieeinzelzellen z gegeben.
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Zusammengefasst kann die Gesamtheit der Batterien B in Form einer Matrize dargestellt werden. Die Zeilenvektoren bezeichnen die einzelnen Batterien B bestehend aus den Batterieeinzelzellen z1 .. zN. In der Matrize bezeichnet der erste Index die Nummer der Batterie B, der zweite Index die Nummer der Batterieeinzelzelle z. Die Lebensdauer jeder Batterie B wird, entsprechend der oben dargelegten Sortierung der Degradationsraten ν1 .. νN durch die schlechteste Batterieeinzelzelle z1 limitiert.
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Nun werden nach dem Ausfall der ersten Batterieeinzelzelle z1 die Batterien B gesammelt und demontiert, wie in der Figur dargestellt. Nach dem Vermessen der Batterieeinzelzellen z1 .. zN wird jeweils die erste Batterieeinzelzelle z1, welche den Ausfall der Batterie B ausgelöst hatte, verworfen. Gegebenenfalls werden in der Praxis auch noch weitere Batterieeinzelzellen z – z. B. aufgrund mechanischer Beschädigungen – verworfen, für die hier folgende Abschätzung soll dies jedoch unberücksichtigt bleiben.
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Die verbleibenden gebrauchten Batterieeinzelzellen z2 .. zN werden dann anhand Ihrer Degradationsraten ν2 .. νN klassiert. Anschließenden erfolgt eine Wiederaufbau von N – 1 Batterien B. Diese Batterien B sind nun untereinander nicht mehr identisch, bestehen aber jede für sich aus N zumindest annähernd identischen Batterieeinzelzellen z mit zumindest annähernd identischer – und damit in der jeweiligen Batterie B sehr homogenen Degradationsrate ν.
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Das Klassieren und der Aufbau bzw. die Remontage der Batterien B
R aus den gebrauchten Batterieeinzelzellen z entspricht dabei einem Transponieren der Matrize:
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Die Lebensdauern dieser remontierten Batterien BR betragen t2, t3, ..., tN-1. Mit Hilfe des Klassierens lässt sich die Gesamtbetriebsstundenzahl TR der remontierten Batterien BR auf TR = t1 + t2 + t3 + ... + tN – 1 > T = N·t1 gegenüber der Gesamtbetriebsstundenzahl T ohne Remontage steigern.
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Aus der groben Abschätzung ist zu erkennen, dass das erfindungsgemäße Verfahren tendenziell in der Lage ist die Gesamtlebensdauer T zahlreicher Batterieeinzelzellen z entsprechend zu steigern und mit vergleichsweise geringen Kosten für das Aufbereiten der Batterien B neben einer längeren Lebensdauer einen deutlichen Kostenvorteil über die Lebensdauer der Batterieeinzelzellen z zu erreichen.
