Mit dem erwarteten Wachstum bei Elektrofahrzeugen in den nächsten zwei Jahrzehnten stellt sich die Frage, wie die großen Lithium-Ionen-Batteriepacks, die sie antreiben, recycelt werden können. Die Ingenieure von ORNL stellten eine Demonstration zusammen, um zu zeigen, dass Roboter die Demontage beschleunigen und den Prozess für die Arbeiter sicherer machen können, während sie den Durchsatz erheblich steigern.
Nur ein kleiner Prozentsatz der Lithium-Ionen-Fahrzeugbatterien wird heute recycelt, und die Mehrheit der dafür verwendeten Prozesse ist nicht automatisiert, sagte Tim McIntyre, leitender Forscher in der Abteilung Elektrifizierung und Energieinfrastruktur von ORNL.
Ob ein Recycler einfach durch das Außengehäuse gelangen möchte, um auf Batterien zuzugreifen und verschlissene Komponenten auszutauschen, oder Batteriestapel zur Rückgewinnung von Kobalt, Lithium, Metallfolien und anderen Materialien vollständig recyceln möchte, der erste Schritt ist die Batteriediagnose für eine sichere und effiziente Handhabung und Demontage .
„Wenn der Roboter bei unserem System den Akku aufnimmt und in die Produktionslinie einsetzt, ist dies das letzte Mal, dass ein Mensch ihn berührt, bis er in Einzelteile und Teile zerlegt ist“, sagte McIntyre.
Die Begrenzung der menschlichen Interaktion ist sowohl für die Sicherheit als auch für die Effizienz wichtig. Die Roboter entfernen unabhängig von der Restladung schnell Schrauben und andere Gehäuse, während menschliche Bediener einen anspruchsvollen und langwierigen Prozess durchführen müssen, um verbrauchte Batterien zu entladen, bevor sie manuell zerlegt werden. Die automatische Demontage reduziert die Exposition des Menschen gegenüber giftigen Chemikalien in den Batterien und hohen Leistungspegeln, die sich in einigen neueren Fahrzeugen dem 900-Volt-Niveau nähern.
Das automatisierte System, das als Teil des Critical Materials Institute (CMI) des DOE entwickelt wurde, kann problemlos auf jede Art von Batteriestapel umkonfiguriert werden. Es kann so programmiert werden, dass es nur auf die einzelnen Batteriemodule zur Aufarbeitung oder Wiederverwendung als stationärer Energiespeicher zugreift, oder die Batterien können zur Trennung und stofflichen Verwertung bis auf Zellebene zerlegt werden.
Die Arbeit baut auf Expertise auf, die in früheren ORNL-Projekten für das CMI entwickelt wurde, die sich auf die robotergesteuerte Demontage von Festplatten zur Wiederherstellung von Seltenerdmagneten konzentrierten. Die Ingenieure haben auch bewiesen, dass diese Magnete direkt in Elektromotoren wiederverwendet werden können.
„Die automatische Demontage von Komponenten, die kritische Materialien enthalten, macht nicht nur die arbeitsintensive manuelle Demontage überflüssig, sondern bietet einen effizienten Prozess zur Trennung der Komponenten in höherwertige Ströme, bei denen die kritischen Materialien in einzelne Rohstoffe für die Recyclingverarbeitung konzentriert werden“, sagte CMI-Direktor Tom Lograsso . „Dieser Mehrwert ist ein wichtiger Bestandteil, um einen wirtschaftlich tragfähigen Prozess zu etablieren.“
Die Forscher befolgen jedes Mal das gleiche Protokoll: Sie brechen die verwendete Komponente manuell auf und sammeln Daten zu diesem Prozess, um die Roboterwerkzeuge und -steuerungen zu erstellen, die zum Antrieb eines automatisierten Systems erforderlich sind, sagte Jonathan Harter, Projektteammitglied des ORNL.
„Die Industrie ist nicht auf die Menge an Batterien beschränkt, die sie in diesen Prozess aufnehmen kann. Es hat sich bereits ein erheblicher Rückstand angesammelt. Der limitierende Faktor ist die Zeit, die für die elektrische Entladung und die manuelle Demontage benötigt wird“, sagte Harter. Er schätzte, dass das automatisierte System in der Zeit, die in einigen Prozessen benötigt wird, um 12 Batteriestapel von Hand zu zerlegen, 100 oder mehr bewältigen könnte.
Der nächste Schritt könnte darin bestehen, den Prozess bis in den kommerziellen Maßstab auszubauen, und das Team von McIntyre sieht auch Möglichkeiten, das gleiche Demontagesystem auf Elektrofahrzeugantriebsstränge zur Rückgewinnung von Materialien wie Seltenerdmagneten, Kupfer, Stahl und intakter Leistungselektronik anzuwenden. Um das Recycling wirtschaftlich machbar zu machen, muss es mit hohem Durchsatz erfolgen und flexibel genug sein, um mehrere Konsumgüter in einer einzigen Anlage zu verarbeiten, sagte Harter.
„Wenn sich der Markt für Elektrofahrzeuge wie erwartet in den nächsten 10 bis 20 Jahren beschleunigt, müssen wir uns mit dem Problem des Abfallstroms befassen und diese gebrauchten Fahrzeuge und Batterien als zentrale Bestandteile der Lieferkette für die Herstellung von Materialien betrachten“, sagte er.