Sächsischer Wissenschaftsminister Sebastian Gemkow informiert sich über Forschungsprojekte am Fraunhofer THM Freiberg
Forschung im Spannungsfeld zwischen Batterierecycling und
Quantenmaterialien
Durch die Energiewende erwachsen für die deutsche Wirtschaft und die
gesamte Gesellschaft neue technologische und ressourcenstrategische
Herausforderungen. So spielen künftig viele Basismaterialien für
Elektroautos, Brennstoffzellen, Elektrolyseure, Leistungselektronik und
Informationstechnologie eine deutlich übergeordnete Rolle. Diese
Hochleistungsmaterialien müssen oft aus anderen Ländern eingeführt werden,
was eine Sicherstellung der Stoffkreisläufe in Europa erschwert. Zudem
gehen den Wirtschaftskreisläufen jedes Jahr strategisch wichtige
Materialien in großem Maßstab verloren, weil die bislang eingesetzten
Recyclingverfahren noch nicht ausgereift sind. Das Fraunhofer-
Technologiezentrum Hochleistungsmaterialien THM in Freiberg arbeitet an
innovativen Lösungen für all diese Fragestellungen. Über die Fortschritte
hat sich heute der sächsische Wissenschaftsminister Sebastian Gemkow vor
Ort informiert.
»Forschungseinrichtungen wie das THM arbeiten hier im Freistaat an
innovativen Technologien für die Energiewende und die
Kreislaufwirtschaft«, betonte Minister Sebastian Gemkow während seines
Besuchs. »Mit ihrer Forschung und Entwicklung sowie dem Transfer in die
Anwendung leisten sie wichtige, auf Nachhaltigkeit und Wertschöpfung
zielende Beiträge. Das stärkt den Wissenschafts- und Hochtechnologie-
Standort Sachsen und kann zusätzliche Arbeitsplätze im Freistaat schaffen
helfen.«
»In Sachsen agieren mehr und mehr Unternehmen, für die moderne
Recyclinglösungen besonders wichtig sind«, erklärt Dr. Mareike Partsch,
die gemeinsam mit Prof. Johannes Heitmann das Fraunhofer THM leitet. Das
gilt für die Elektroauto-Werke in Zwickau, Leipzig und Dresden ebenso wie
für die Solarfabriken in Freiberg, die Akku- und Ultrakondensator-
Hersteller in Kamenz und Großröhrsdorf oder für viele andere Unternehmen.
»Wir wollen die Zusammenarbeit zwischen diesen Playern weiter ausbauen,
große Clusterprojekte koordinieren und industrielle Infrastrukturen für
die Kreislaufwirtschaft von morgen schaffen«, sagt Mareike Partsch, die in
Personalunion auch zum Vorstand des sächsischen Energietechnik-
Branchenverbandes »Energy Saxony« gehört. Insofern ist das Fraunhofer THM
auch als Nukleus für neue Wertschöpfungsketten und zukunftsorientierte
Industrien in Sachsen konzipiert.
Vom Downcycling zum echten Batterierecycling
Ein wichtiger Forschungsschwerpunkt am Fraunhofer THM ist das
Batterierecycling. Zwar gibt es auch heute schon Möglichkeiten, Lithium,
Kobalt, Nickel, Platin und andere strategisch wichtige Metalle aus
Altbatterien zurückzugewinnen. Weil diese Elemente aber oft in sehr
geringen Konzentrationen vorliegen, sind klassische Recyclingprozesse zu
aufwendig und ineffizient. Zudem führen sie in der Praxis nicht selten zu
einem »Downcycling«, also zu einer Herabstufung in den Stoffkreisläufen.
Das aus Altbatterien herausgelöste Nickel beispielsweise wandert heute oft
nicht in die Batterieproduktion zurück, sondern endet als Zuschlagstoff im
Hochofen. »Mit unseren Technologien wollen wir ein echtes Recycling statt
Downcycling ermöglichen«, unterstreicht Mareike Partsch.
»Das heißt, wir müssen die gewonnenen Materialien so aufbereiten, dass
sich daraus wieder erstklassige Batterien herstellen lassen.« Dafür
erproben die THM-Teams verschiedene hydrometallurgische, mechanische und
elektrochemische Verfahren und kombinieren diese. Sie wollen auch dafür
sorgen, dass Ingenieure und Designer künftig schon bei der Material- und
Produktentwicklung das spätere Recycling mitdenken. Geplant ist, diese
Rückgewinnungstechnologien auch für Solarmodule, Brennstoffzellen,
Elektrolyseure und Leistungselektronik anzuwenden. Denn auch diese Systeme
enthalten viele wertvolle Materialien.
Kleine Materialdefekte für bessere Leistungselektronik
Leistungselektronik wiederum beschäftigt auch die Teams um Johannes
Heitmann – allerdings aus einer anderen Perspektive: Durch ihre Expertise
in der Defektcharakterisierung können sie Schwachpunkte in
Halbleitermaterialien identifizieren und dadurch Materialentwicklungen
effizienter gestalten. Diese Materialdefekte können allerdings auch sehr
nützlich sein: »Durch gezielt eingebaute Defekte in neuartige
Halbleitermaterialien können elektronische Bauelemente unter Umständen
schneller schalten oder höhere Spannungen und stärkere Ströme
unterstützen«, erläutert der Physiker Heitmann. Derartig verbesserte
Leistungselektronik ist ein Grundbaustein für die beschleunigte
Marktdurchdringung der Elektromobilität oder kann beispielsweise
Solaranlagen mit höherer Energieausbeute ermöglichen. »Diese absichtlich
eingebrachten Defekte lassen sich ebenfalls für quantenphysikalische
Phänomene für Sensorik- und Computinganwendungen ideal nutzen«, so
Heitmann weiter.
Möglich wurden diese ambitionierten Forschungsprojekte nicht zuletzt durch
öffentliche Fördermittel. Dazu gehören fünf Millionen Euro, die das
Sächsische Staatsministerium für Wissenschaft, Kultur und Tourismus (SMWK)
aus dem Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung (EFRE) als
Anschubfinanzierung bereitgestellt hat. Weitere sieben Millionen Euro hat
das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) als Projektmittel
für die Aktivitäten der Partner im Rahmenprogramm »Forschungsfabrik
Batterie« bewilligt.
