Fraunhofer-Einrichtung Forschungsfertigung Batteriezelle FFB
SpuRo
Forschungsprojekt,– »Element-Spurenuntersuchung zur Ermittlung der Qualität und Lieferketten von Batterierohstoffen«
Mittels chemischer Untersuchungsmethoden soll im Rahmen des Projekts SpuRo eine Methode entwickelt werden, individuelle »Fingerabdrücke« von Batterierohstoffen in ihrer Handelsform (als sogenanntes CAM, Kathodenaktivmaterial, engl. cathode active material oder pCAM, Prä-Kathodenaktivmaterial, engl. pre cathode active material) oder aus ihren entsprechenden Erzen zu nehmen.
Daraus soll im Folgenden eine Datenbank angefertigt und letztendlich die Nachverfolgbarkeit von der Mine (Primärmaterial) oder vom Recycler (Sekundärmaterial) zur Zellfertigung zu ermöglicht werden. Im Zuge dessen können die Materialqualität und Vergleichbarkeit untereinander/zu Sekundärmaterial untersucht und bewertet und zertifiziert werden.
Letzteres wird durch die parallel zur Analytik laufenden Entwicklung einer neuen Zertifizierung gewährleistet, die nach einer Prüfung der derzeitigen Marktlage neu erstellt und in Modellen angewendet wird.
Arbeitsplan
AP 1: Projektkoordination, -administration und -organisation (Konsortialführung durch Fraunhofer FFB)
AP 2: Auswahl und Beschaffung der zu untersuchenden Batteriematerialien
Die zur Untersuchung und Datenbankerstellung herangezogenen Batteriematerialien werden in AP 2 ausgewählt und beschafft. Die Materialien können hierbei aus Primärquellen wie den Erzen, den sogenannten pCAM, Prä-Kathodenaktivmaterialien; CAM, Kathodenaktivmaterialien; Passivmaterialien wie etwa Stomableitern; und Rezyklaten von CAM ausgewählt werden. Das Screening der Verfügbarkeiten, die Auswahl für das Projekt und die anschließende Beschaffung sind Kernaspekte dieses AP. Dabei ist ebenfalls auf die Aufschließbarkeit für die nachfolgenden Untersuchungsmethoden zu achten.
AP 3: Qualitative Spurenanalytik
Durch Materialuntersuchung mittels geeigneter Analytik, wie etwa der ICP-OES, soll die qualitative Zusammensetzung der in AP 1 ausgewählten Materialien realisiert werden. Die bereits hochreinen Verbindungen werden hierbei auf die Elementarspuren untersucht, die sich im ppm- bis ppt-Bereich befinden. Dieses Spurenmuster ist die Grundlage für die Qualitätsbewertung, die Herkunftsbestimmung und die Weiterverwendung der Materialien in AP 4.
AP 4: Quantitative Spurenanalytik
Anhand der in AP 3 detektierten Elemente wird eine Auswahl an Elementen getroffen, die in individuell unterschiedlichen Häufigkeiten und möglichst vielen der Batteriematerialien vorkommen. Hierbei sind sowohl klassische Batteriematerialien im Fokus, um Aussagen über die „Rezyklathistorie“ machen zu können, als auch Elemente, die keine Anwendung im Batteriekontext haben, aber auf die geografische Herkunft schließen lassen könnten. Zur quantitativen Bestimmung der Spurenelemente wird mittels Standards eine Kalibrierung durchgeführt und damit die Konzentration der Elemente im untersuchten Batterierohstoff ermittelt.
AP 5: Datenbankerstellung und Lieferkettennachverfolgung
Die qualitativen und quantitativen Elementdaten der Batterierohstoffe werden in einer Datenbank zusammengefasst, um einerseits die Vergleichbarkeit zu ermöglichen, andererseits, in Kombination und Abgleich mit den Herstellerangaben, Qualitätsunterschiede aufzuzeigen. Die Untersuchung von Sekundärmaterial soll durch das Vorhandensein von klassischen Batterieelementen, die im Primärmaterial fehlen, eine Klassifizierung als Rezyklat ermöglichen, dies ist wiederum Grundlage der Zertifizierung als Rezyklat.
Durch die Herstellerangaben soll die geografische Herkunft der Rohstoffe ermittelt werden und durch Abgleiche mit den lokal vorkommenden Abbaubedingungen (z. B. Vergesellschaftung mit verschiedenen Elementen in den Erzen und im Gestein) die Plausibilität geprüft werden. Diese Lieferkettenermittlung ist als Grundlage für eine mögliche Zertifizierung dieser zu sehen.
AP 6: Zertifizierung
AP 6 beinhaltet die Identifizierung bestehender nationaler und internationaler Normen und Zertifizierungspotenziale sowie die Analyse der bestehenden Zertifizierungsaktivitäten im Bereich des Recycling and Wiederverwendung von Batteriematerialien. Das Ergebnis wird ein Zertifizierungssystem sein, das mit einem Bewertungsinstrument für die Konformität von Batteriematerialien ausgestattet ist und sich auf die Prozessqualität in der Lieferketten und Einhaltung der EU-Richtlinien konzentriert. In diesem Stadium wird die Zertifizierung auf die oben genannten Industrieanwendungen zugeschnitten sein, um das entsprechende Marktinteresse zu erreichen. Es sind erste Pilotprojekte geplant, um den in den vorherigen Arbeitspunkten entwickelten Prüf- und Zertifizierungsprozess im Rahmen einer Zertifizierung mit ausgewählten Materialherstellern und Materialien zu erproben und zu verbessern.
Ergebnisverwertung
Wissenschaftliche Verwertung
Während des Projektes werden wissenschaftliche Daten und Forschungsergebnisse mit Fokus auf die Analytik von Batteriematerialien generiert. Diese können in einschlägigen Fachzeitschriften oder als Konferenzbeiträge/Vorlesungsinhalte veröffentlicht werden. Zudem besteht generell die Möglichkeit, dass Studierende im Rahmen des Projektes Abschlussarbeiten ausarbeiten, die im Nachgang in die Universitätsbibliotheken und Online-Datenbanken eingepflegt werden. Die im Projekt entwickelten bzw. optimierten Methoden der chemischen Analytik werden weiterhin angewandt und auf weitere Materialien ausgeweitet, bevorzugt am Standort der Fraunhofer FFB (Münster).
Regulatorische Verwertung
Die im Zuge des Projektes ausgearbeiteten Untersuchungsmethoden und Zertifizierungen zur Bewertung der Qualität und Lieferketten von Batterierohstoffen sind unter dem Gesichtspunkt der europäischen Gesetzgebung wertvoll, um eine unabhängige Überprüfung der regulatorischen Vorgaben zu ermöglichen. Diese beziehen sich unter anderem auf die Nachweisbarkeit von Rezyklaten und die Einhaltung der Rezyklatquoten in neu gefertigten Batteriezellen. Eine Zertifizierung durch Unternehmen wie dem TÜV Rheinland und seine Tochterunternehmen stellt eine Verwertung der Projektergebnisse sicher.
Wirtschaftliche Verwertung
Ein zentraler Bestandteil der Verstetigungsstrategie ist die Kooperation mit Industriepartnern. Neben der regulatorischen Verwertung, die nicht zwangsläufig wirtschaftlicher Natur ist, ermöglicht eine Zertifizierung und Qualitätsbewertung Industrieunternehmen, ihre Produkte vom Wettbewerb abzugrenzen. Zudem wird durch die Einhaltung der Vorgaben und möglicherweise auch höheren, selbst gesetzten Standards eine Vermarktung erleichtert, da die Produkte unabhängigen Bewertungen standhalten. Zertifizierungen können als Dienstleistung wirtschaftlich verwertet werden.
