EP4758672A1 - Verfahren und vorrichtung zum recycling und/oder zur reparatur von strukturbatterien aus verklebten einzelzellen, insbesondere für elektrofahrzeuge - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Recycling und/oder zur Reparatur von Einzelzellen (1) aus einem verklebten Verbund (2) von Einzelzellen (1) in Form von Strukturbatterien, insbesondere von Fahrzeugbatterien für Elektrofahrzeuge, bei denen eine Vielzahl von Einzelzellen (1) beabstandet zueinander über einen Kleber (3) miteinander verbunden sind, bei dem mindestens eine Einzelzelle (1) unter inerter Atmosphäre durch mechanische Trennverfahren im Bereich der die Einzelzelle (1) umgebenden Verklebung (3) mit benachbarten Einzelzellen (1) getrennt wird, wobei zumindest der Umgebungsbereich der jeweils zu bearbeitenden Einzelzelle (3) so weit herunter gekühlt wird, dass der Kleber (3) zwischen den benachbarten Einzelzellen (1) versprödet zumindest einen Teil seiner Klebekraft verliert und der jeweils zu bearbeitende Bereich des Klebers (3) sich bei der Trennbearbeitung nicht unzulässig erwärmt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Recycling und/oder zur Reparatur von Strukturbatterien aus verklebten Einzelzellen, insbesondere für Elektrofahrzeuge

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Recycling und/oder zur Reparatur von Strukturbatterien aus verklebten Einzelzellen, insbesondere für Elektrofahrzeuge, gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruches 22.

Die Herstellung von Batterien bzw. Akkus hat durch die Herstellung von Elektrofahrzeugen in Großserien wachsende Bedeutung erhalten. Zudem sind durch die zur Akzeptanz durch die Kunden erforderlichen Reichweiten der Elektromobilität Ladekapazitäten der Batterien bzw. Akkus notwendig, die eine Verschaltung einer Vielzahl von gleichartig aufgebauten Einzelzellen erfordert, die zu einer Fahrzeugbatterie zusammen geschaltet und gemeinsam betrieben werden. Hierfür gibt es verschiedene Bauformen und Zellenformen, die derzeit in Benutzung sind.

Durch das Gewicht derartiger Batterien bzw. Akkus in einer Fahrzeugbatterie ist es notwendig, die einzelnen Zellen so anzuordnen und zu haltern, dass die Anordnung kompakt und auch bei dynamischen Fahrsituationen stabil ist. Nachdem anfänglich Einzelzellen in entsprechenden, teilweise aufwändigen Halterungen eingesetzt und dort einzeln befestigt und verschaltet wurden, kommen verstärkt Anordnungen von Einzelzellen in einer Fahrzeugbatterie zum Einsatz, die miteinander dauerhaft verbunden werden und eine Art festen Block bilden. Eine derartiges Blocken einzelner Zellen kann z.B. dadurch bewirkt werden, dass die einzelnen Zellen nach dem Herstellen ihrer gewünschten Anordnung miteinander verklebt oder vergossen werden. So sind etwa von der Fa. Tesla Bauformen von Fahrzeugbatterien bekannt, bei denen die Einzelzellen aus zylinderförmigen Einheiten mit einem runden Querschnitt bestehen und eine Vielzahl derartiger zylinderförmigen Einheiten in einen Batteriekasten matrixartig und zueinander beabstandet eingesetzt werden. Die Einzelzellen

Bestätigungskopie bilden daher eine z.B. zeilen- und spaltenförmige Reihung zylinderförmiger Einheiten, wobei die zylinderförmigen Berandungen der Einzelzellen zu jeder benachbarten Einzelzelle einen Abstand aufweist. In diesen meist kleinen Abstand wird ein flüssiger Kleber eingebracht, z.B. eingepresst, der den Zwischenraum ausfüllen und die Einzelzellen nach dem Aushärten in ihrer beabstandeten Anordnung zueinander fixieren soll. Bildlich gesprochen wird der Batterie kästen mit der Anordnung der Vielzahl zylinderförmiger Einzelzellen mit dem flüssigen Kleber ausgegossen und bildet nach dem Aushärten des Klebers zusammen mit dem Batteriekasten einen selbsttragenden Block. Der Einbau eines derartigen selbsttragenden Blocks als Fahrzeugbatterie üblicherweise im Bereich der sonst üblichen Bodenbaugruppe eines Elektrofahrzeugs hat den Vorteil, dass der selbsttragende Block sowohl statische Eigenschaften für die Karosserie anstelle der sonst vorzusehenden Bodenbleche übernehmen kann als auch durch den Wegfall aufwändiger Halterahmen für jede Einzelzelle der Fahrzeugbatterie eine Gewichtsreduzierung gegenüber herkömmlichen Batterien für Elektrofahrzeuge ermöglicht. Dies ist für die Reichweite des Elektrofahrzeugs von großer Wichtigkeit, da von dem hohen Batteriegewicht die Reichweite des Elektrofahrzeugs wesentlich mitbestimmt wird.

Mit dieser Bauform geht aber als wesentlicher Nachteil einher, dass diese Bauform bei einem späteren Recycling der Fahrzeugbatterien der Verbund der Einzelzellen wieder gelöst werden muss, um an die teuren und in ihrer Verfügbarkeit eingeschränkten Batterierohstoffe wieder heran zu kommen und diese wiederzugewinnen. Auch kann es im Rahmen von Reparaturen der Fahrzeugbatterien von Vorteil sein, in einer solchen beabstandeten Anordnung von Einzelzellen gezielt einzelne Zellen ersetzen zu können, die etwa durch Defekte nicht oder nicht mehr ausreichend funktionsfähig sind. Hierzu müssen aber auch einzelne der wie beschrieben vergossenen Einzelzellen gezielt und mit möglichst geringer Manipulation an dem Rest der Fahrzeugbatterie aus dem beschriebenen Verbund gelöst werden können.

Eine Trennung solcherart aus verklebten Einzelzellen gebildeter Fahrzeugbatterien z.B. für Elektrofahrzeuge ist wegen der zusätzlich bestehenden Brand- bzw. Explosionsgefahr aufgrund der heute verwendeten Zellchemie der üblicherweise angewandten Lithium-Ionen-Akkutechnologie noch aufwändiger, als es dies durch den mechanischen Aufbau ohnehin schon ist. Der für die Verklebung der einzelnen Batteriezel- len bzw. des gesamten Batteriekörpers eingesetzte Kleber bzw. Schaum ist nach dem Aushärten recht fest und schwer zu entfernen. Eine Trennung für eine Reparatur bzw. Auswechslung von Batteriezellen bzw. ein nachhaltiges Recycling mit möglichst vollständiger Rückgewinnung der für die Batterietechnik erforderlichen Rohstoffe durch den Eintrag von Wärme verbietet sich hier aufgrund der bestehenden Brandgefahr bzw. Explosionsgefahr der Einzelzellen wegen der Eigenschaften des Lithiums im Brandfall.

Die z.B. aus der EP 4 030 513 A1 bekannte Zerkleinerung des gesamten Batteriekörpers durch einen Häcksler und das Heraustrennen der zu recycelnden Bestandteile hieraus macht die Rückgewinnung der teuren Rohstoffe schwierig, aufwändig und kann zu Verlusten der Rohstoffe führen.

Die Trennung verklebter Bauteile wie hier der Einzelzellen der Fahrzeugbatterie ist oft problematisch. Aus der WO 2021/259424 A1 ist beispielsweise bekannt, dass z.B. Karosseriebauteile durch den Einsatz von Kälte und einem zusätzlichen kurzen mechanischen Schlag getrennt werden können. Die Funktionsfähigkeit des Klebers wird durch die Kälte so stark herabgesetzt, dass die Entfügung der Bauteile z.B. durch einen leichten Meißelschlag auf die Klebefuge problemlos möglich ist. Umliegende Bauteile bzw. Klebeverbindungen werden dabei nicht geschädigt, die volle Funktionsfähigkeit der Klebeverbindung ist nach einer kurzen Aufwärmung durch die Umgebungstemperatur vollständig wiederhergestellt.

Um eine Temperatursenkung von Objekten zu erreichen, wird im Allgemeinen ein Kühlmedium verwendet, das vorab auf eine niedrige Temperatur und dann direkt oder indirekt in kältetransportierenden Kontakt mit dem Objekt gebracht wird, z.B. flüssiges Kohlendioxid als Kühlmedium. Es ist beispielsweise aus der DE 10 2007 052 390 B4 bekannt, flüssiges Kohlendioxid in Kohlendioxid-Gas zu expandieren, um damit eine zu kühlende Fläche so auf Temperaturen von ca. -50° zu kühlen. Bei der Expansion entsteht aus dem flüssigen Kohlendioxid ein Gemisch aus Kohlendi- oxidgas und Kohlendioxidschnee, wobei der Kohlendioxidschnee eine besondere Verbesserung der Kälteübertragung auf die zu kühlende Oberfläche ermöglicht. Darüber hinaus ist es bekannt, eine kältestabile Flüssigkeit in dem Bereich der Verdampfung des flüssigen Kohlendioxids zuzugeben, die eine weitere Abkühlung und besonders intensive Übertragung der Kälte auf die zu kühlende Oberfläche ermöglicht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit dem eine sichere und effektive Trennung von Einzelzellen aus einem Verbund einer Fahrzeugbatterie möglich wird, um ein Recycling oder eine Reparatur an der Fahrzeugbatterie zu ermöglichen.

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich hinsichtlich des Verfahrens aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und hinsichtlich der Vorrichtung aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 22 jeweils in Zusammenwirken mit den Merkmalen des zugehörigen Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht aus von einem Verfahren zum Recycling und/oder zur Reparatur von Einzelzellen aus einem verklebten Verbund von Einzelzellen in Form von Strukturbatterien, insbesondere von Fahrzeugbatterien für Elektrofahrzeuge, bei denen eine Vielzahl von Einzelzellen beabstandet zueinander über einen Kleber miteinander verbunden sind. Ein derartiges gattungsgemäßes Verfahren wird dadurch in erfindungsgemäßer Weise weiter entwickelt, dass mindestens eine Einzelzelle unter inerter Atmosphäre durch mindestens ein mechanisches Trennverfahren im Bereich des die Einzelzelle umgebenden Klebers mit benachbarten Einzelzellen getrennt wird, wobei zumindest der Umgebungsbereich der jeweils zu bearbeitenden Einzelzelle so weit herunter gekühlt wird, dass der Kleber zwischen den benachbarten Einzelzellen versprödet zumindest einen Teil seiner Klebekraft verliert und der jeweils zu bearbeitende Bereich des Klebers sich bei der Trennbearbeitung nicht unzulässig erwärmt. Eine mechanische Trennung der Verklebung erzeugt Wärme, die die Konsistenz des Klebers oder auch Schaums von fest in einen weichzähen Zustand ändern würde. Wärme im Bereich der Einzelzellen kann zudem Brandgefahr und/oder Explosionsgefahr mit sich bringen. Brand- und Explosionsgefahr besteht bei dem heute in Einzelzellen üblicherweise verwendeten Lithium auch dann, wenn die Bearbeitung in einer inerten Zone durchgeführt wird, da Lithium bei Brand selbst Sauerstoff entwickelt. Brände an Fahrzeugen mit Lithiumbatterien können deshalb auch nicht mit CO₂-Feuerlöschem gelöscht werden. Eine Trennung der verklebten Batteriezellen für eine Reparatur bzw. ein Recycling kann deshalb nicht auf der Basis von Wärmeeintrag durchgeführt werden. Daher wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, zumindest den Umgebungsbereich der jeweils zu bearbeitenden Einzelzelle so weit herunter zu kühlen, dass zum einen die Klebewirkung des Klebers reduziert oder sogar weitgehend aufgehoben wird und zum anderen der sich sonst bei der Trennung ggf. erwärmende und damit weicher werdende Kleber härter und damit besser von den Einzelzellen trennbar wird. Durch die Kühlung versprödet der Kleber und wird härter und damit z.B. besser zerspanbar oder trennbar. Auch wird der Kleber durch die Kälte sowie der Zufuhr von Kühlmedium direkt an das mechanische Trennwerkzeug so abgekühlt, dass eine Wärmeerzeugung durch die mechanische Bearbeitung weitestgehend reduziert oder vollständig verhindert wird. Durch das Kühlen zumindest des Umgebungsbereichs der jeweils zu bearbeitenden Einzelzelle werden somit Brand- und Explosionsgefahr der Einzelzellen durch unzulässige Erwärmung in ihrem Umgebungsbereich weitgehend verhindert und gleichzeitig die mechanische Trennung des Klebers erleichtert. Durch die im Falle der Reparatur nur einzelner Einzelzellen einer nicht mehr vollständig intakten Fahrzeugbatterie ist es darüber hinaus möglich, gezielt einzelne, defekte Einzelzellen aus dem Verbund heraus zu trennen und durch intakte Einzelzellen zu ersetzen, ohne den gesamten Verbund als defekt entsorgen zu müssen. Für das Recycling eines kompletten Verbundes ist die erfindungsgemäße Trennung von großem Vorteil, da hierdurch der Verbund wieder weitgehend in seine einzelnen Bestandteile zerlegt werden kann und dies für das sortenreine Wiedergewinnen von Rohstoffen aus den Einzelzellen wesentlich vorteilhafter ist als bei dem bisher praktizierten Shreddern, bei dem ein völliges Durcheinander der zerhäckselten Bestandteile des Verbundes wieder aufwändig getrennt werden muss. So können die erfindungsgemäß zurück gewonnenen Einzelzellen weitgehend intakt aus dem Verbund entnommen und sortenrein recycelt werden.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn der Umgebungsbereich der jeweils zu bearbeitenden Einzelzelle bis über die Glasbruchtemperatur des zu trennenden Klebers herunter gekühlt wird. Der Kleber wird dadurch statt des normalen zähharten Zustandes hart und spröde und kann zum einen gut getrennt, etwa zerspant werden. Zum anderen reichen schon leichte schlagartige oder ruckartige Belastungen, die etwa auf eine Einzelzelle aufgebracht werden, um ein Loslösen der Einzelzelle von Resten des Klebers z.B. auf der Unterseite der Einzelzelle zu erreichen. Dies kann dazu genutzt werden, um weitegehend von dem Kleber frei gelegte Einzelzellen ruckartig von restlichen Klebestellen zu lösen und aus dem Verbund heraus zu lösen.

In weiterer Ausgestaltung kann der Kleber im Umgebungsbereich der jeweils zu bearbeitenden Einzelzelle durch mechanische Werkzeuge gezielt derart manipuliert wird, dass zumindest die bearbeitete Einzelzelle aus dem Verbund gelöst und vom Verbund getrennt werden kann. Durch die lokale Manipulation der zwischen den Einzelzellen angeordneten Kleberbereiche kann erreicht werden, dass gezielt nur eine einzelne oder wenige Einzelzellen frei präpariert und aus dem Verbund gelöst werden können. Hierdurch sind gezielte Reparaturen von Einzelzellen möglich, ohne den ganzen Verbund zerstören oder den Verbund komplett ersetzen zu müssen.

Als Möglichkeit zur Manipulation des Klebers können als mechanische Trennverfahren Fräsen und/oder Bohren und/oder Sägen und/oder Schneiden und/oder Schlagen, auch im Kombination, verwendet werden. So kann zum Beispiel der die heraus zu lösende Einzelzelle umgebende Kleber durch Fräsen entlang des Umfangs der Einzelzelle nach und nach zerspant werden. Die Einzelzelle wird dadurch im Bereich ihres Umfangs freigelegt und kann, ggf. nach einer finalen Schlagbeanspruchung zum Lösen von Restkleber im Bereich des Bodens der Einzelzelle, frei aus dem Verbund entnommen und ggf. ersetzt werden. Die Art des Trennens hängt dabei auch von der Geometrie der Außenkontur der Einzelzelle ab. So kann es z.B. sinnvoll sein, eine eckige Einzelzelle durch Fräsen oder Sägen heraus zu lösen.

In einer anderen denkbaren Ausgestaltung kann der die heraus zu lösende Einzelzelle umgebende Kleber durch ein Bohrwerkzeug, vorzugsweise eine Bohrkrone, heraus getrennt werden. Die Bohrkrone führt hierbei eine topfförmige, an die Abmessungen der Einzelzelle angepasst ringartige Bearbeitung des Klebers entlang des Umfangs der Einzelzelle aus und schneidet die Einzelzelle entlang ihres Umfangs nach und nach frei. Auch hier kann, ggf. nach einer finalen Schlagbeanspruchung zum Lösen von Restkleber im Bereich des Bodens der Einzelzelle, die Einzelzelle frei aus dem Verbund entnommen und ggf. ersetzt werden. Denkbar ist es hierbei auch, dass die Bohrkrone mehrteilig ausgebildet ist und in weiterer Ausgestaltung bei der Trennbearbeitung eine rotierende Hin- und Herbewegung um die Einzelzelle herum ausführt. Die Bohrkrone weist dabei mehrere am Umfang verteilte Einzelsegmente auf, die jeweils Schneidkanten haben und am Umfang voneinander beabstandet sind. Rotiert eine derartige mehrteilige Bohrkrone in Umfangsrichtung um eine Mittellage herum, zerspanen die Einzelsegmente den Kleber nach und nach und können bei sukzessiver Zustellung der Bohrkrone in Längsrichtung der Einzelzellen den die Einzelzelle umgebenden Kleber zerlegen und die Einzelzelle freilegen.

Weiterhin ist es denkbar, dass die Bohrkrone eine Klemmfunktion aufweist, mit der die weitgehend aus dem Verbund heraus gelöste Einzelzelle von der Bohrkrone geklemmt und ruckartig aus dem Verbund gelöst werden kann. Insbesondere bei mehrteiligen Bohrkronen können die Einzelsegmente etwa durch einen spannseitig der Bohrkrone angeordneten Konus so nach innen auf die Einzelzelle zu verkippt werden, dass die Einzelsegmente die frei gelegte Einzelzelle zwischen sich klemmen und die geklemmte Einzelzelle aus dem Verbund herausziehen können. Durch die Klemmfunktion wird die frei gelegte Einzelzelle zangenartig gefasst und ist ohne weitere Werkzeuge oder Schlagbelastungen aus dem Verbund einfach entfernbar.

Insbesondere für das Recycling des gesamten Verbundes der Einzelzellen ist es von Vorteil, wenn an mehreren heraus zu lösenden Einzelzellen gleichzeitig im Bereich des sie umgebenden Klebers der Kleber von jeweils zugeordneten Trennwerkzeugen manipuliert wird. Hierdurch können die Trennvorgänge mehrfach oder vielfach gleichzeitig ausgeführt und das Trennen für ein vollständiges Recycling beschleunigt werden. Hierfür kann jeder heraus zu lösenden Einzelzelle jeweils ein entsprechendes Trennwerkzeug zugeordnet und betrieben werden, mit dem die jeweilige Einzelzelle zeitlich parallel zu den anderen Einzelzellen heraus getrennt wird.

Von besonderer Bedeutung für die Sicherheit und Funktion des Verfahrens ist es, dass die inerte Atmosphäre beim Bearbeiten der mindestens einen Einzelzelle in einer abgeschlossenen Kabine durch Einleiten eines inerten Gases, vorzugsweise Kohlendioxidgas, und Verdrängen der Umgebungsatmosphäre aus der Kabine hergestellt wird. Hierbei wird der gesamte Verbund der Einzelzellen in eine Kabine ge- bracht, die gegenüber der Umgebung abgeschlossen ist und mit einem inerten Gas geflutet werden kann. Hierdurch wird die Umgebungsluft mit dem darin enthaltenen Sauerstoff aus der Kabine verdrängt und damit ein wesentlicher Teil des Brand- und Explosionsschutzes hergestellt. Durch die inerte Atmosphäre in der Kabine wird eine Entzündung der Einzelzellen zwar nicht sicher ausgeschlossen, zumindest aber wesentlich erschwert.

Insbesondere für das Recycling von kompletten Verbünden von Einzelzellen ist es von Vorteil, wenn die Trennbearbeitung des Klebers durch eine automatisierte, bewegungsprogrammierbare Einrichtung, vorzugsweise einen Industrieroboter ausgeführt wird. Hierdurch kann eine sehr präzise Trennung im Bereich des Klebers mit gleichbleibend hoher Qualität durchgeführt werden, zudem lässt sich eine derartige Einrichtung quasi rund um die Uhr betreiben.

Von Vorteil ist es weiterhin, wenn das Trennwerkzeug durch eine Strahldüse mit inertem Kühlmedium beaufschlagt wird, die mit der bewegungsprogrammierbaren Einrichtung mitbewegt wird. Die Strahldüse kann das inerte Kühlmedium gezielt in den Bereich der jeweiligen Bearbeitung von Einzelzellen einleiten, in denen durch das Trennen ansonsten eine Erwärmung des bearbeiteten Klebers auftreten würde und diesen Bereich gezielt kühlen und den Kleber verspröden.

Hierbei ist es denkbar, dass als inertes Kühlmedium flüssiges Kohlendioxid oder flüssiger Stickstoff verwendet wird. Der Einsatz von Kohlendioxid ist dabei vorteilhaft, weil dann neben dem gasförmig sublimierenden Kohlendioxidgas gleichzeitig feste Trockeneispartikel mit aus der Strahldüse ausgestoßen werden. Die Temperatur in der Kabine fällt dadurch in den Minusbereich auf z.B. -50 °C. Auch die Verwendung von flüssigem Stickstoff ist zum Erreichen niedrigerer Temperaturen denkbar, wodurch aber zusätzliche Sicherheitsprobleme entstehen können.

Weiterhin ist es denkbar, dass dem flüssigen Kohlendioxid und/oder dem Gemisch aus gasförmigem Kohlendioxid und Kohlendioxid-Schnee eine kältestabile Flüssigkeit zugeführt wird, die eine weitere Verringerung der erreichbaren Kühltemperatur, vorzugsweise auf bis zu -75 °C, bewirkt. Zur Verbesserung der Kühlwirkung, aber auch in weiterer Ausgestaltung zur Schmierung des Trennwerkzuges kann bei Bedarf zusätzlich die kältestabile Flüssigkeit genutzt werden. Die Zuführung kann dabei mit der Strahldüse erfolgen oder auch getrennt von dem Düsenstrahl. Als kältestabile Flüssigkeit kann z.B. Ethanol oder Isopropanol eingesetzt werden, vorzugsweise mit einer Beimischung aus Wasser. Die Kühlung sowie die Inertisierung der Kabine verhindert zuverlässig, dass die kältestabile Flüssigkeit sich entzünden kann.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn das Gas der inerten Atmosphäre nach der Bearbeitung des Verbundes der Einzelzellen abgesaugt und, vorzugsweise nach einer Aufbereitung, wiederverwendet werden kann. Hierdurch werden Ressourcen geschont und das Gas der inerten Atmosphäre kann vielfach wieder verwendet werden. Dies erhöht auch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens deutlich.

Eine Absaugung des Gases der inerten Atmosphäre erfolgt vorteilhaft unten innerhalb der Kabine, da die vorgeschlagenen inerten Gase schwerer als Luft sind und daher nach unten innerhalb der Kabine absinken.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Recycling und/oder zur Reparatur von Einzelzellen aus einem verklebten Verbund von Einzelzellen in Form von Strukturbatterien, insbesondere von Fahrzeugbatterien für Elektrofahrzeuge, bei denen eine Vielzahl von Einzelzellen beabstandet zueinander über einen Kleber miteinander verbunden sind. In erfindungsgemäßer Ausgestaltung kann eine derartige Vorrichtung eine abgeschlossene Kabine aufweisen, in der beim Bearbeiten des Klebers im Bereich der mindestens einen Einzelzelle mittels mindestens einem mechanischen Trennverfahren eine inerte Atmosphäre durch Einleiten eines inerten Gases, vorzugsweise Kohlendioxidgas, und Verdrängen der Umgebungsatmosphäre aus der Kabine herstellbar ist. Einige wesentliche Eigenschaften und Vorteile einer solchen Vorrichtung sind schon im Zusammenhang mit den Eigenschaften des Verfahrens erläutert worden, daher wird hierauf ausdrücklich Bezug genommen.

Von Vorteil ist es insbesondere, wenn der Verbund der Einzelzellen auf einem in die Kabine einfahrbaren Bearbeitungstisch passgenau positionierbar ist. Hierdurch wird der Verbund der Einzelzellen, der üblicherweise in einem z.B. als Batteriekasten ausgebildeten Träger aufgenommen ist, wiederholbar und ohne großen Aufwand so positionierbar, dass eine automatische Trenneinrichtung jede Position jeder Einzelzelle kennt und genau anfahren und den jeweiligen Kleber passgenau bearbeiten kann. Auch kann das Rüsten des Verbundes der Einzelzellen außerhalb der Kabine und damit zeitlich parallel zur laufenden Bearbeitung eines anderen Verbundes in der Kabine erfolgen. Denkbar ist auch das Einfahren des jeweiligen Bearbeitungstisches über Schleusen, durch die die inerte Atmosphäre beim Wechsel des Bearbeitungstisches weitgehend innerhalb der Kabine gehalten wird und die Kabine zum Wechseln des anschließend zu bearbeitendes Verbundes der Einzelzellen nicht erneut mit Umgebungsluft geflutet werden muss.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Kabine druckdicht ausgebildet ist, um die inerte Atmosphäre unter leichten Überdruck setzen zu können. Auch ist es denkbar, dass die Kabine zum weitgehenden Aufrechterhalten der Kälte innerhalb der Kabine thermisch isoliert ausgebildet ist.

Von Vorteil ist es insbesondere, wenn die Vorrichtung eine automatisierte, bewegungsprogrammierbare Einrichtung, vorzugsweise einen Industrieroboter aufweist, mit der die Bearbeitung des Klebers durch Trennwerkzeuge ausgeführt wird. Hierbei kann die automatisierte, bewegungsprogrammierbare Einrichtung, vorzugsweise der Industrieroboter, im Bereich der Decke der Kabine angeordnet sein und mit die Trennwerkzeuge tragenden Werkzeugträgern in das Innere der Kabine hinein ragen. Durch die Anordnung der bewegungsprogrammierbare Einrichtung oder des Industrieroboters außerhalb bzw. oberhalb der Kabine ist dieser jederzeit zugänglich und unterliegt nicht komplett den Umgebungsbedingungen innerhalb der Kabine, was für den Betrieb von Vorteil ist. Wenn nur die Trennwerkzeuge tragenden Werkzeugträger z.B. von oben in das Innere der Kabine hinein ragen, ist eine gute Zugänglichkeit der Einzelzellen gewährleistet und nur die Werkzeugträger unterliegen der Kälte innerhalb der Kabine.

Weiterhin ist es denkbar, dass an den Werkzeugträgern mindestens eine mit den Werkzeugträgern mit bewegbare Düse zum Eindüsen des Kühlmittels in den Bereich der Trennbearbeitung angeordnet ist. Hierdurch und durch die Mitbewegung der Düse mit den Werkzeugträgern wird das Kühlmittel immer zielgerichtet dort in die Kabine eingebracht, wo durch die Trennbearbeitung Wärme entstehen könnte. Der zu trennende Kleber wird dadurch immer optimal gekühlt.

Ebenfalls ist es denkbar, dass an den Werkzeugträgern mindestens eine Düse zum Eindüsen der kältestabilen Flüssigkeit in den Bereich der Trennbearbeitung ange- ordnet ist. Diese Düse kann separat zu der Düse zum Eindüsen des Kühlmittels angeordnet werden, es ist aber auch denkbar, dass die kältestabile Flüssigkeit auch direkt der Düse zum Eindüsen des Kühlmittels zugeführt und von dieser mit in den Bereich der Trennbearbeitung eingedüst werden.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und der dazu geeigneten Vorrichtung zeigt die Zeichnung.

Es zeigen:

Figur 1 - eine schematische Darstellung des Aufbaus einer einen Verbund bildenden Strukturbatterie aus verklebten Einzelzellen, wie sie insbesondere für Elektrofahrzeuge zunehmend eingesetzt wird,

Figur 2 - eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Recycling und/oder Reparatur von Strukturbatterien gemäß Figur 1 .

In der Figur 1 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Strukturbatterie aus verklebten Einzelzellen 1 , wie sie insbesondere für Elektrofahrzeuge zunehmend eingesetzt wird, zu erkennen. Hierfür werden eine Anzahl von hier kreisrund zylindrischen Einzelzellen 1 in einer matrixförmigen Anordnung zeilen- und spaltenweise nebeneinander in einem nicht weiter dargestellten Batteriekasten angeordnet und zur Aufrechterhaltung ihrer Anordnung und zur mechanischen Stabilisierung mit einem Kleber 3 oder Schaum fixiert. Der Kleber 3 oder Schaum wirkt dabei wie eine Art Vergussmasse und füllt die Zwischenräume zwischen den Einzelzellen 1 nahezu komplett über die ganze Höhe der Einzelzellen 1 aus. Der Verbund 2 der Einzelzellen 1 bildet hierdurch eine Art Block, der als tragendes Element etwa im Bodenbereich einer Karosseriestruktur eingebaut und nur an den Rändern befestigt werden muss. Der Verbund 2 ist quasi selbsttragend.

Zwar hat eine derartige Bauform hinsichtlich der Verwendung in dynamisch belasteten Fahrzeugkarosserien Vorteile vor allem hinsichtlich der Gewichtsreduzierung, für die Reparatur einer solchen Fahrzeugbatterie oder auch das an die Lebensdauer anschließende Recycling ist diese Bauform aber unvorteilhaft. Einzelne Einzelzellen 1 können nur unter großem Aufwand aus dem Verbund 2 heraus präpariert und ersetzt werden, wenn etwa eine Einzelzelle 1 eine Funktionsstörung oder einen Schaden aufweist. Beim Recycling des gesamten Verbundes 2 ist das Herauslösen der Einzelzellen 1 aus dem Verbund 2 aufgrund der schlagzähen Konsistenz des Klebers 3 aufwändig und nur mit hohem manuellen Einsatz möglich. Damit ist aber das Wiedergewinnen der wertvollen Inhaltsstoffe der Einzelzellen 1 wie etwa Lithium mühsam und kostenaufwändig.

Die Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Recycling und/oder Reparatur von Strukturbatterien gemäß Figur 1 , mit der ein Rückgewinnen der Einzelzellen 1 beim Recycling oder auch ein Austausch bestimmter Einzelzellen 1 für Reparaturen vereinfacht und automatisierbar wird.

Die Vorrichtung weist eine luftdicht ausgebildete Kabine 6 auf, in der ein Bearbeitungstisch 8 mit Positionierhilfen 9 für die Aufnahme eines Verbundes 2 von Einzelzellen 1 angedeutet ist. Denkbar, aber hier nicht weiter dargestellt, ist es, dass der Bearbeitungstisch 8 über eine nicht dargestellte Schleuse aus dem Umgebungsbereich in das Innere der Kabine 6 hinein- und hinausgefahren werden kann, so dass das Rüsten des Bearbeitungstischs 8 durch Positionieren des Verbundes 2 bequem außerhalb der Kabine 6 und ggf. mit einem Wechsel-Bearbeitungstischs 8 auch parallel zu einer laufenden Bearbeitung innerhalb der Kabine 6 erfolgen kann.

Die Kabine 6 ist derart luftdicht ausgebildet, dass die Kabine 6 mit einem inerten Gas wie etwa Kohlendioxidgas oder auch Stickstoffgas geflutet werden kann, um im Inneren der Kabine 6 Verhältnisse zu schaffen, die den Recyclingprozess sicher machen und Brand- und Explosionsgefahren minimieren. Durch die Verarbeitung heute meist lithiumhaltiger Substanzen in den Einzelzellen 1 ist die Brandgefahr hoch, da Lithium auch unter inerter Atmosphäre brennen kann. Daher wird nicht nur ein inertes Gas, sondern auch Gas als Kühlmedium zugeführt, durch das das Innere der Kabine 6 inertisiert und gleichzeitig in einen Bereich gekühlt wird, in dem die Brandgefahr weiter herab gesetzt wird. Hierzu kann beispielsweise Kohlendioxidgas durch die Zuluftöffnung 7 in das Innere der Kabine 6 gebracht werden, auch ist die Zuführung von flüssigem Kohlendioxid denkbar, das im Inneren der Kabine 6 verdampft und gleich- zeitig Kohlendioxidschnee bildet, durch den die Kühlwirkung weiter verbessert wird. Bei dieser Zuführung wird von unten nach oben die vorher in der Kabine 6 befindliche Luft oben über einen während dieses Füllprozesses geöffneten Kugelhahn 17 heraus gedrückt, da das Kohlendioxid schwerer ist als Luft und die Luft nach oben steigt. Erkennt der Sensor 16 für das Inertgas, dass nur noch Inertgas zu dem Kugelhahn 17 strömt, wird der Kugelhahn 17 geschlossen und das Innere der Kabine 6 ist komplett mit Inertgas gefüllt. Zur Erhaltung der kalten Umgebung kann die Kabine 6 wie nicht weiter dargestellt thermisch isoliert sein und einen geringen Überdruck aushalten. Am Ende eines Bearbeitungsvorgangs oder bei Bedarf kann das Innere der Kabine 6 wieder mit Luft gefüllt werden, entweder indem das Inertgas bei geöffneter Zuluftöffnung 7 durch die Entgasungsleitung 14 in die Umgebung entlassen wird oder auch durch die Leitung 18 einer nicht weiter dargestellten Wiederaufbereitung zugeführt werden kann. Hierbei überwachen die Sensoren 15 und 16 das jeweils vorbei strömende Gas hinsichtlich seiner Zusammensetzung.

Oberseitig der Kabine 6 ist ein Industrieroboter 10 angedeutet, der auf der Oberseite der Kabine 6 befestigt ist und durch nicht weiter dargestellte Abdichtungen hindurch mit einem Roboterarm 11 in das Innere der Kabine 6 hinein greifen kann. Der Roboterarm 11 kann daher mithilfe seiner Bewegungseinrichtungen mit den Bewegungsmöglichkeiten 12 von oberhalb des Bearbeitungstischs 8 an den Verbund 2 der Einzelzellen 1 heran gefahren werden und mit Hilfe eines nur angedeuteten Werkzeugs den Kleber 3 wie beschrieben im Bereich zwischen den Einzelzellen 1 etwa durch Fräsen trennen. Neben einem Fräsen des Klebers 3 ist auch ein Bohren etwa mit Hilfe einer Bohrkrone denkbar, durch die der Kleber 3 ringförmig um die Einzelzellen 1 herum aufgetrennt wird und dadurch die Einzelzellen 1 aus dem Verbund 2 heraus getrennt werden.

Auch für die Reparatur bzw. das Recycling von Batterien aus einem verklebten Verbund 2 von Einzelzellen 1 kann ein Kälteeintrag bis vorzugsweise über der Glasbruchtemperatur des Klebers 3 eingesetzt werden. Zu diesem Zweck wird am Roboterarm 11 eine nicht weiter dargestellte Strahldüse befestigt, die ein inertes Gas wie z.B. Kohlendioxid oder auch Stickstoff vorzugsweise in Richtung des mechanischen Werkzeugs ausstößt. Vor dem Beginn der mechanischen Bearbeitung wird die Kabine 6 mit einem inerten Gas gefüllt, dass in flüssiger Form auch über die Strahldüse zugeführt werden kann und dann in Gasform expandiert. Der Einsatz von Kohlendioxid ist dabei vorteilhaft, weil dann gleichzeitig feste Trockeneispartikel mit aus der Strahldüse ausgestoßen werden. Die Temperatur in der Kabine 6 fällt dadurch in den Minusbereich auf z.B. -50 °C. Auch kann in an sich bekannter Weise eine kältestabile Flüssigkeit in den Bereich der Bearbeitung des Klebers 3 zugeführt werden, die die Temperatur im Bereich der Bearbeitung des Klebers 3 noch einmal auf ca. -75 °C senken kann.

Nach der seitlichen Freilegung der Einzelzellen 1 werden diese weiter durch den Kleber 3 auf der Bodenseite des Batteriekastens gehalten. Der Kleber 3 kann durch das mittels der Strahldüse ausgestrahlte Kühlmedium und bei Erfordernis die kältestabile Flüssigkeit auf eine Temperatur von bis zu -75° abgekühlt werden. Der Kleber 3 weist dann nur noch eine sehr geringe Klebewirkung aus. Die Einzelzelle 1 kann dann durch einen kurzen seitlichen mechanischen Stoß von dem am Boden der Einzelzelle 1 befindlichen Kleber 3 „abgebrochen" werden.

Es ist auch möglich, die mechanische Trennung komplett auch durch den Batterieboden hindurch auszuführen und damit die Einzelzelle 1 mit dem entsprechenden Bodenteil zu lösen.

Es versteht sich von selbst, dass die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung nicht auf die vorstehend beschriebene geometrische Gestaltung der Einzelzellen 1 beschränkt ist, sondern auch für anders geformte Einzelzellen 1 entsprechend modifiziert möglich ist.

Sac h n u mmernliste

Einzelzelle

Verbund aus Einzelzellen

Kleber

Trennwerkzeug

Ringspalt

Kabine

Zuluftöffnung

Bearbeitungstisch

Positionierhilfen

Roboter

Roboterarm

Bewegungsmöglichkeiten Roboterarm

Luftevakuierung

Entgasung Kabine

Sensor Inertgas

Sensor Inertgas

Kugelhahn

Wiederaufbereitung Inertgas

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Recycling und/oder zur Reparatur von Einzelzellen (1) aus einem verklebten Verbund (2) von Einzelzellen (1 ) in Form von Strukturbatterien, insbesondere von Fahrzeugbatterien für Elektrofahrzeuge, bei denen eine Vielzahl von Einzelzellen (1 ) beabstandet zueinander über einen Kleber (3) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Einzelzelle (1) unter inerter Atmosphäre durch mindestens ein mechanisches Trennverfahren im Bereich der die Einzelzelle (1 ) umgebenden Klebers (3) mit benachbarten Einzelzellen (1) getrennt wird, wobei zumindest der Umgebungsbereich der jeweils zu bearbeitenden Einzelzelle (3) so weit herunter gekühlt wird, dass der Kleber (3) zwischen den benachbarten Einzelzellen (1 ) versprödet zumindest einen Teil seiner Klebekraft verliert und der jeweils zu bearbeitende Bereich des Klebers (3) sich bei der Trennbearbeitung nicht unzulässig erwärmt.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Umgebungsbereich der jeweils zu bearbeitenden Einzelzelle (1) bis über die Glasbruchtemperatur des zu trennenden Klebers (3) herunter gekühlt wird.

3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kleber (3) im Umgebungsbereich der jeweils zu bearbeitenden Einzelzelle (1 ) durch mechanische Werkzeuge gezielt derart manipuliert wird, dass zumindest die bearbeitete Einzelzelle (1 ) aus dem Verbund (2) gelöst und vom Verbund (2) getrennt werden kann.

4. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanische Trennverfahren Fräsen und/oder Bohren und/oder Sägen und/oder Schneiden und/oder Schlagen verwendet werden.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der die heraus zu lösende Einzelzelle (1 ) umgebende Kleber (3), vorzugsweise durch Fräsen, manipuliert wird.

6. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der die heraus zu lösende Einzelzelle (1 ) umgebende Kleber (3) durch ein Bohrwerkzeug, vorzugsweise eine Bohrkrone manipuliert wird.

7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrkrone mehrteilig ausgebildet ist

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrkrone bei der Trennbearbeitung eine rotierende Schwingbewegung um die Einzelzelle (1 ) herum ausführt.

9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrkrone eine Klemmfunktion aufweist, mit der die weitgehend aus dem Verbund (2) heraus gelöste Einzelzelle (1) von den Einzelteilen der Bohrkrone geklemmt und ruckartig aus dem Verbund (2) gelöst werden kann.

10. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an mehreren heraus zu lösenden Einzelzellen (1 ) gleichzeitig im Bereich des sie umgebenden Klebers (3) der Kleber (3) von jeweils zugeordneten Trennwerkzeugen manipuliert werden.

11 . Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die heraus zu lösende Einzelzelle (1) nach dem Trennen des sie umgebenden Klebers (3) durch eine schlagartige Belastung aus dem Verbund (2) der Einzelzellen (1 ) gelöst wird.

12. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die inerte Atmosphäre beim Bearbeiten der mindestens einen Einzelzelle (1 ) in einer abgeschlossenen Kabine (6) durch Einleiten eines inerten Gases, vorzugsweise Kohlendioxidgas, und Verdrängen der Umgebungsatmosphäre aus der Kabine (6) hergestellt wird.

13. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung des Klebers (3) durch eine automatisierte, bewe- gungsprogrammierbare Einrichtung (10), vorzugsweise einen Industrieroboter (10) ausgeführt wird.

14. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennwerkzeug durch eine Strahldüse mit inertem Kühlmedium beaufschlagt wird, die mit der bewegungsprogrammierbaren Einrichtung (10) mitbewegt wird.

15. Verfahren gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass als inertes Kühlmedium flüssiges Kohlendioxid oder Stickstoff verwendet wird.

16. Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Kohlendioxid als inertes Kühlmedium eine erreichbare Kühltemperatur von vorzugsweise -50 °C bewirkt.

17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass dem flüssigen Kohlendioxid und/oder dem Gemisch aus gasförmigem Kohlendioxid und Kohlendioxid-Schnee eine kältestabile Flüssigkeit zugeführt wird, die eine weitere Verringerung der erreichbaren Kühltemperatur, vorzugsweise auf bis zu -75 °C, bewirkt.

18. Verfahren gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass als kältestabile Flüssigkeit Ethanol oder Isopropanol, vorzugsweise mit einer Beimischung von Wasser, verwendet wird.

19. Verfahren gemäß Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die kältestabile Flüssigkeit zum Schmieren des Trennwerkzeuges genutzt wird.

20. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas der inerten Atmosphäre nach der Bearbeitung des Verbundes (2) der Einzelzellen (1 ) abgesaugt und, vorzugsweise nach einer Aufbereitung, wiederverwendet wird.

21. Verfahren gemäß Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Absaugung des Gases der inerten Atmosphäre unten innerhalb der Kabine (6) erfolgt.

22. Vorrichtung zum Recycling und/oder zur Reparatur von Einzelzellen (1 ) aus einem verklebten Verbund (2) von Einzelzellen (1 ) in Form von Strukturbatterien, insbesondere von Fahrzeugbatterien für Elektrofahrzeuge, bei denen eine Vielzahl von Einzelzellen (1 ) beabstandet zueinander über einen Kleber (3) miteinander verbunden sind, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine abgeschlossene Kabine (6) aufweist, in der beim Bearbeiten des Klebers (3) im Bereich der mindestens einen Einzelzelle (1 ) mittels mindestens einem mechanischen Trennverfahren eine inerte Atmosphäre durch Einleiten eines inerten Gases, vorzugsweise Kohlendioxidgas, und Verdrängen der Umgebungsatmosphäre aus der Kabine (6) herstellbar ist.

23. Vorrichtung gemäß Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund (2) der Einzelzellen (1) auf einem in die Kabine (6) einfahrbaren Bearbeitungstisch (8) passgenau positionierbar ist.

24. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabine (6) mindestens eine Schleuse zum Einbringen und Entfernen des jeweils zu bearbeitenden Verbundes (2) der Einzelzellen (1 ) aufweist.

25. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabine (6) druckdicht ausgebildet ist, um die inerte Atmosphäre unter leichten Überdruck setzen zu können.

26. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabine (6) thermisch isoliert ausgebildet ist

27. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 22 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine automatisierte, bewegungsprogrammierbare Einrichtung (10), vorzugsweise einen Industrieroboter (10) aufweist, mit der die Bearbeitung des Klebers (3) durch ausgeführt wird.

28. Vorrichtung gemäß Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die automatisierte, bewegungsprogrammierbare Einrichtung (10), vorzugsweise der Industrieroboter (10), im Bereich der Decke der Kabine (6) angeordnet ist und mit die Trennwerkzeuge tragenden Werkzeugträgern (11) in das Innere der Kabine (6) hinein ragt.

29. Vorrichtung gemäß Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass an den Werkzeugträgern (11) mindestens eine mit den Werkzeugträgern (11) mit bewegbare Düse zum Eindüsen des Kühlmittels in den Bereich der Trennbearbeitung angeordnet ist.

30. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass an den Werkzeugträgern (11 ) mindestens eine Düse zum Eindüsen der kältestabilen Flüssigkeit in den Bereich der Trennbearbeitung angeordnet ist.