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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbereiten von Batterieelektroden sowie eine Batterieelektrode.
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Für das Recycling von Energiespeicherzellen, wie beispielsweise Lithiumionenzellen, oder von Produktionsausschüssen bei deren Herstellung, spielt die Separation des Beschichtungsmaterials von der Stromableiterfolie eine entscheidende Rolle. Besonders das Aktivmaterial der Kathode ist sehr wertvoll und macht mit ca. 40 % einen wesentlichen Anteil der Zellkosten aus. Die Separation wird nach derzeitigem Stand beispielsweise als rein mechanisches Verfahren umgesetzt, beispielsweise durch Schreddern, Mahlen und Sieben. Alternativ oder zusätzlich kommen Lösungsmittel zum Einsatz, die ggf. eine höhere Trenneffizienz erreichen als rein mechanische Verfahren, gleichzeitig aber Kostennachteile mit sich bringen sowie im Hinblick auf Arbeitssicherheit und Nachhaltigkeit nicht optimal sind. Für die Trennung von Elektrodensubstratblechen und der Beschichtung schlägt beispielsweise die
DE 699 05 134 T2 vor, die Beschichtung durch Biegen des beschichteten Substrats mit einem ausreichend kleinen Biegeradius zu lösen. Außerdem wird dort das Arbeiten mit Lösungsmitteln etc. vorgeschlagen. Ein Biegen führt bei flexiblen Stromableiterfolien vor allem aufgrund der starken Adhäsion zwischen Beschichtung und Stromableiterfolie aber nicht zum Erfolg. Der Einsatz von Lösungsmitteln bringt, wie bereits erwähnt, zusätzliche Nachteile mit sich. Die
DE 10 2009 059 423 A1 betrifft ein Verfahren zur Wiedergewinnung von Lithium aus einem Lithium enthaltendem Ausgangsstoff, wobei der Ausgangsstoff in einem Reaktor mit Kohlenstoff dadurch geheizt wird, dass der Kohlenstoff direkt induktiv geheizt wird. Der Ausgangsstoff liegt hierbei allerdings als Schüttgut vor, was zusätzliche Arbeitsschritte mit sich bringt und kein bandförmiges Verarbeiten ermöglicht. Zudem ist der Ansatz energieintensiv und hinsichtlich der Anlagentechnik aufwändig.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Aufbereiten von Batterieelektroden sowie eine Batterieelektrode anzugeben, wobei die vorgenannten Nachteile beseitigt werden können. Zudem soll das Verfahren kostengünstig und industriell gut umsetzbar sein.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Batterieelektrode gemäß Anspruch 12 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und der beigefügten Figur. Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Aufbereiten von Batterieelektroden die Schritte:
- - Bereitstellen von Elektrodenmaterial, wobei das Elektrodenmaterial Trägermaterial, wie insbesondere eine Stromableiterfolie, umfasst, welche ein- oder beidseitig eine Beschichtung aufweist;
- - Einbringen von Wärme mittels Induktion in das Trägermaterial zum Lösen, insbesondere An- oder Ablösen, der Beschichtung.
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Bei dem Trägermaterial handelt es sich insbesondere um eine Trägerfolie, auch Stromableiterfolie genannt, einer Elektrode einer elektrischen Energiespeicherzelle, vorliegend insbesondere um eine Aluminium- oder Kupferfolie, wie sie beispielsweise in Lithiumionenbatterien verwendet wird. Aluminium wird dabei oftmals für Kathoden verwendet, Kupfer für die Anode. Das Trägermaterial kann ein- oder beidseitig beschichtet sein. Das Beschichtungsmaterial umfasst zunächst gemäß einer Ausführungsform jeweils Aktivmaterial, Leitruß, (Lösungsmittel-)Binder und Additive. Für die Herstellung derartiger Batterieelektroden werden das Aktivmaterial, der Leitruß sowie der Binder in Lösungsmittel dispergiert und anschließend auf das Trägermaterial aufgebracht. Nach der Trocknung ist der Binder ausgehärtet und sorgt für die Adhäsion der Beschichtung am Trägermaterial. Die Elektroden werden im Anschluss kalandriert und im Rahmen der Zellassemblierung für den Einsatz in elektrifizierten Fahrzeugen fertiggestellt. Sobald die Batteriezelle das Ende ihrer Lebensdauer erreicht hat, wird sie recycelt. Das vorliegende Verfahren ist in gleicher Weise für Batterieelektroden geeignet, welche ohne Lösungsmittel hergestellt wurden, vorausgesetzt dass eine stoffschlüssige Adhäsion vorliegt, die durch eine thermische Behandlung neutralisiert werden kann. Der große Vorteil besteht vorliegend darin, dass die Beschichtung mittelbar über das Trägermaterial erwärmt wird, wobei die Erwärmung mit Vorteil eine zumindest bereichsweise Auflösung des Stoffzusammenhalts der Beschichtung bewirkt. Dies führt dazu, dass sich die Beschichtung vom Trägermaterial löst bzw. dass diese zumindest an- oder abgelöst wird.
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Der Wärmeeintrag führt gemäß einer Ausführungsform insbesondere dazu, dass sich der in der Beschichtung enthaltene Binder zersetzt. Dies führt zur, zumindest bereichsweisen, Auflösung des Stoffzusammenhalts. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Zersetzen des in der Beschichtung enthaltenen Binders durch das Einbringen der Wärme.
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Mit anderen Worten wird die Wärme so eingebracht, dass der in der Beschichtung enthaltene Binder zersetzt wird, wodurch die vorbeschriebene Auflösung des Stoffzusammenhalts erreicht wird. Mit Vorteil wird der bei der Herstellung verwendete Binder mittels Induktion eines magnetischen Wirbelstromfeldes in dem Trägermaterial lokal thermisch zersetzt.
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Als Binder werden üblicherweise fluorhaltige Polymere verwendet, wie beispielsweise Polyvinylidenfluorid-Homopolymer (PVDF) und Polyvinylidenfluorid-Copolymer (PVDF-Copolymer), sowie beliebige Mischungen daraus.
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Besonders vorteilhaft ist vorliegend der lokale Wärmeeintrag in die Beschichtung. Darunter ist zu verstehen, dass der Wärmeeintrag vom Trägermaterial aus erfolgt. Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Lösen der Beschichtung an der Grenzschicht zum Trägermaterial hin.
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Zweckmäßigerweise wird das Verfahren so geführt, dass lediglich die Grenzschicht der Beschichtung zum Trägermaterial hin erwärmt/erhitzt wird, insbesondere derart, dass der Stoffzusammenhalt zumindest im Bereich der Grenzschicht aufgelöst bzw. der Binder zumindest in diesem Bereich zersetzt wird. Insbesondere erfolgt der Wärmeeintrag zweckmäßigerweise derart, dass der Binder im Bereich der Grenzschicht zersetzt und der Stoffzusammenhalt dort in geeigneter Weise aufgelöst wird. Die Beschichtung wird zweckmäßigerweise nicht oder zumindest nicht vollständig durcherhitzt, wie dies in einem Ofen erfolgen würde. In der Folge ist das Verfahren als sehr schonend zu bezeichnen. Mit Vorteil kann vorliegend, zumindest weitestgehend, vermieden werden, dass ggf. Reaktionen stattfinden, welche das Beschichtungsmaterial in ungünstiger Art und Weise beeinflussen, wie beispielsweise die Bildung von gasförmigem Fluorwasserstoff (HF). Dieser reagiert beispielsweise mit dem Lithium aus dem Kathodenaktivmaterial zu inaktivem Lithiumfluorid (LiF), wodurch die Kapazität des Aktivmaterials herabgesetzt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:
- - Zuführen des Elektrodenmaterials einer Qualitätskontrolle;
- - Zuführen des Elektrodenmaterials einer Aufbereitungsanlage zum Aufbereiten von als defekt erkanntem Elektrodenmaterial.
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Das Verfahren kann beispielsweise als nachgeschalteter Bestandteil einer Qualitätskontrolle beim Aussortieren von NiO-Beschichtungsabschnitten (NiO - nicht in Ordnung) eingesetzt werden. Das Elektrodenmaterial/Bandmaterial wird aussortiert und direkt in die Separation eingeführt.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Einbringen der Wärme über die ganze Breite der Beschichtung.
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Das Trägermaterial bzw. die Trägerfolie wird entlang einer Förderrichtung transportiert. Die vorgenannte Breite der Beschichtung erstreckt sich quer zur vorgenannten Förderrichtung.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Entlangführen des Trägermaterials an einer Induktionsvorrichtung.
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Gemäß einer Ausführungsform wird das Trägermaterial unter einer Induktionsvorrichtung hindurchgeführt. Das Hindurchführen oder Entlangführen des Trägermaterials erfolgt zweckmäßigerweise entlang der vorgenannten Förderrichtung. Die Erwärmung erfolgt dabei vorteilhafterweise entlang der Längsrichtung/Förderrichtung des Elektrodenmaterials nur abschnittsweise. In der Folge kann ein schlanker Anlagenaufbau erreicht werden. Da das Verfahren als Durchlaufverfahren ausgebildet ist, können dennoch große Mengen verarbeitet werden. Insbesondere kann das Verfahren auch aufwandsarm in bestehende Produktionsanlagen integriert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Verwenden mechanischer und/oder pneumatischer Verfahren zum Entfernen der gelösten Beschichtung.
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Um eine vollständige Ablösung bzw. auch Entfernung von an- oder abgelöstem Beschichtungsmaterial zu erreichen, kann mit weiteren alternativen Verfahren, wie beispielsweise pneumatischen und/oder mechanischen Verfahren, gearbeitet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Bestrahlen des Elektrodenmaterials mit Druckluft zum Entfernen der gelösten Beschichtung.
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Bei der Druckluftbestrahlung kann auch mit abrasiven Materialien gearbeitet werden. Gemäß einer Ausführungsform erfolgt auch eine Schneestrahl-Bestrahlung, welche als besonders materialschonendes Verfahren Vorteile mit sich bringt.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Verwenden einer Absaugung zum Sammeln des separierten Beschichtungsmaterials.
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Eine Sammlung des separierten Beschichtungsmaterials erfolgt beispielsweise in einem geeigneten Auffangbehältnis.
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Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Aufbereiten und Wiederverwenden des separierten Beschichtungsmaterials.
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Soweit möglich oder nötig, wird das Beschichtungsmaterial in seine einzelnen Bestandteile zerlegt. Alternativ kann das Beschichtungsmaterial auch als solches weiterverwendet werden. Gemäß der ersten Alternative wird das gewonnene Beschichtungsmaterial einer hydrometallurgischen Aufarbeitung zugeführt, bei der eine Abtrennung der einzelnen Elemente des Aktivmaterials erfolgt. Bei einer NMC-Elektrode werden entsprechend Nickel (N), Mangan (M) und Cobalt (C) sowie Lithium in Reinform gewonnen und anschließend in einer Materialsynthese wieder zu NMC verarbeitet. Gemäß der zweiten Alternative kann das gewonnen Beschichtungsmaterial/Aktivmaterial auch direkt (ohne Hydrometallurgie) wieder- oder weiterverwendet werden. Bei End-of-Life-Zellen ist hierbei mit Kapazitätsverlust zu rechnen, für Produktionsausschuss wäre dies theoretisch nicht der Fall, da das Aktivmaterial noch nicht gealtert ist, sondern direkt aus der Produktion kommt.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- - Aufbereiten und Weiter oder- Wiederverwenden des Trägermaterials.
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Vorteilhafterweise wird das Trägermaterial wieder- oder zumindest weiterverwendet Die Erfindung betrifft auch eine Batterieelektrode, welche Materialien umfasst, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnen wurden. Die Batterieelektrode ist Bestandteil einer elektrischen Energiespeicherzelle, wie beispielsweise einer Lithiumionenzelle. Batterieelektroden bzw. Energiespeicherzellen der in Rede stehenden Art werden beispielsweise für Traktionsbatterien in Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen, Krafträdern oder auch Nutzfahrzeugen, verwendet.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform des Verfahrens mit Bezug auf die beigefügte Figur.
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Es zeigt:
- 1: eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des Verfahrens.
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Batterieelektrode, umfassend ein Trägermaterial 10, auf welchem, vorliegend nur einseitig, eine Beschichtung 20 aufgebracht ist. Das Trägermaterial 10 wird entlang einer Förderrichtung F transportiert. Bezugszeichen 30 bezeichnet eine Induktionsvorrichtung. Zweckmäßigerweise wird vorliegend der in der Beschichtung 20 vorhandene Binder mittels Induktion eines magnetischen Wirbelstromfeldes in dem Trägermaterial 10 lokal thermisch zersetzt. In der Folge löst sich die Beschichtung 20 vom Trägermaterial 10. Mit Vorteil wird eine gezielte Aufhebung der Adhäsion erreicht. Die Verarbeitung als Bandmaterial ermöglicht eine gleichmäßige Erwärmung des Trägermaterials 10 und dadurch eine hohe Trenneffizienz. Durch die lokale und gezielte Wärmeeinbringung kann darüber hinaus die Entstehung von HF und damit der Kapazitätsverlust des Aktivmaterials reduziert werden. Das Verfahren kann beispielsweise als nachgeschalteter Bestandteil der Qualitätskontrolle beim Aussortieren von NiO-Beschichtungsabschnitten eingesetzt werden. Bahnmaterial wird aussortiert und direkt in die Separation eingeführt. Die Induktion erfolgt mithilfe von Spulen, die über die komplette Beschichtungsbreite angebracht werden. Die Beschichtung wird entlang der Spulen gefördert, das Aktivmaterial wird abgelöst und beispielsweise durch eine Absaugung oder ein Auffangbehältnis eingesammelt. Zweckmäßigerweise können vorliegend weitere Verfahren kombiniert werden, um eine vollständige Ablösung der Beschichtung 20 zu erreichen, wie z. B. eine Druckluftbestrahlung. Das aus der Separation gewonnene Beschichtungsmaterial kann im Anschluss aufbereitet und wiederverwendet werden. Die Erfindung zielt insbesondere darauf ab, den bei der Herstellung von Kathoden verwendeten PVDF-Binder mittels Induktion eines magnetischen Wirbelstromfeldes in der Alufolie lokal thermisch zu zersetzen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Trägermaterial
- 20
- Beschichtung, Beschichtungsmaterial
- 30
- Induktionsvorrichtung
- F
- Förderrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 69905134 T2 [0002]
- DE 102009059423 A1 [0002]
