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Wie kann Europa Graphit für Lithium-Ionen-Batterien sauberer, energieärmer und unabhängiger von außereuropäischen Lieferketten herstellen – und zugleich mehr Recyclingmaterial nutzen? In einem neuen Verbundprojekt entwickeln Partner aus Industrie und Forschung entlang der gesamten Prozesskette neue Technologien für die Aufbereitung von natürlichem und recyceltem Graphit. Die Friedrich-Schiller-Universität Jena übernimmt dabei die Entwicklung und systematische Bewertung eines neuartigen Reinigungsverfahrens mit Chlorgas als potenziell umweltfreundlichere Alternative zu etablierten Verfahren.
Das Vorhaben mit dem Titel »USE-G: Environmentally Friendly and Safe Graphite Extraction for Europe’s Battery Industry« hat ein Gesamtbudget von 1,7 Millionen Euro und wird überwiegend durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert. Die Förderung hat eine Laufzeit von drei Jahren.
Graphit ist ein zentraler Bestandteil von Lithium-Ionen-Batterien: In der Anode macht er einen erheblichen Anteil der aktiven Materialien aus. Für die industrielle Veredelung zu batterietauglichem Material – insbesondere Reinigung, Beschichtung sowie Formgebung – ist Europa bislang stark abhängig von außereuropäischen Technologien und Lieferketten. USE-G will hier ansetzen und eine europäisch kontrollierte Prozessroute demonstrieren, die ohne besonders problematische Chemikalien auskommt, den Energiebedarf senkt und Recyclingströme stärker integriert.
Die Universität Jena leitet im Projekt die Arbeiten an einer chlorbasierten Reinigung von Graphit bei erhöhten Temperaturen. Ziel ist es, eine Methode zu prüfen, die im Vergleich zur Reinigung mit Flusssäure als sauberere Alternative gelten könnte und gleichzeitig weniger energieintensiv sein soll als Hochtemperatur-Verfahren, die in Teilen der Industrie eingesetzt werden. Obwohl chlorbasierte Reinigungsansätze in anderen Anwendungen bekannt sind, wurde ihr Potenzial für natürliche und recycelte Graphitströme bislang nicht umfassend untersucht. Im Projekt wird die Technik deshalb erstmals systematisch für beide Materialquellen bewertet.
»Unser Fokus ist es, die Reinigung mit Chlorgas bei erhöhten Temperaturen als sauberere Alternative zur Flusssäure und als weniger energieintensive Option als die thermische Reinigung zu erforschen. Diese Arbeiten könnten Europa neue Wege eröffnen, um Umweltwirkungen zu reduzieren, ohne die Materialqualität zu beeinträchtigen«, sagt Dr. Martin Oschatz, Professor am Center for Energy and Environmental Chemistry der Friedrich-Schiller-Universität Jena.
Parallel zur Reinigungsentwicklung arbeitet der Industriepartner H.C. Starck Tungsten GmbH an der Rückgewinnung von Graphit aus der sogenannten »Black Mass«, die bei der Batterie-Recyclingkette entsteht. Obwohl Graphit einen erheblichen Anteil der Black Mass ausmacht, wird er bislang kaum wiederverwendet. Ziel des Projekts ist es, Graphit, der in konventionellen Verfahren häufig verloren geht, künftig aufzubereiten und erneut in die Lieferkette einzuspeisen und damit zu einer echten Kreislaufwirtschaft beizutragen.
Ein weiteres beteiligtes Unternehmen, die Rain Carbon Germany GmbH, entwickelt zudem neue, nachhaltigere Kohlenstoff-Beschichtungsmaterialien und dazugehörige Prozesse, um die elektrochemische Leistungsfähigkeit der Graphit-Anoden zu verbessern und den ökologischen Fußabdruck der Herstellung zu verringern.
Die kanadische Firma Northern Graphite liefert natürliches Graphitmaterial und übernimmt im Rahmen des Projekts unter anderem Mahl-, Formgebungs- und Batterie-Testarbeiten. In der Projektlaufzeit werden natürlicher und recycelter Graphit zunächst getrennt verarbeitet, um Referenzwerte für Reinheit und Performance zu ermitteln. In einem späteren Schritt prüfen die Partner, ob sich beide Ströme zu einem gemeinsamen Anodenmaterial mischen lassen – mit dem Ziel, ein europäisches Produkt zu entwickeln, das perspektivisch von Zell- und Batteriezellherstellern qualifiziert werden kann. Die Arbeiten finden in Deutschland an den Standorten der jeweiligen Partner statt.