Batterien spielen eine immer wichtigere Rolle für eine nachhaltigere Energieversorgung, Li­thium-Ionen-Batterien sind zentral für die Elek­tromobilität. Während des Entladungsprozesses wandeln sie die gespeicherte chemische Energie in elektrische Energie um. Derzeit sind Lithium-Ionen-Batterien die effizientesten Energiespeicher in Haushaltsgeräten, Smartphones sowie E-Fahrzeugen. Ein wesentlicher Vorteil dieser Batterien ist ihre Wiederaufladbarkeit, ihre hohe Energiedichte sowie eine mehrjährige Lebensdauer. Unabhängig von der Art bestehen alle Batterien aus vier grundlegenden Komponenten: zwei Elektroden (Anode und Kathode), einem Separator auf Polyolefinbasis und einem dazwischenliegenden Elektrolyt. Verunreinigungen oder Schwankungen in der chemischen Zusammensetzung können die Sicherheit und Leistungsfähigkeit der Batterien beeinträchtigen. Daher ist ein umfassendes Qualitätsmanagement während des Herstellungsprozesses erforderlich, von der Elektrodenproduktion bis zur Finalisierung der Batterie. Besonders die chemische Analyse der Bestandteile mit kontinuierlichen Qualitätskontrollen ist entscheidend für die Leistungsfähigkeit und Sicherheit der Batterien. Dazu müssen fertige Batterien präparativ durch einen Zerkleinerungsprozess mit Schneidmühlen vorbereitet werden.

Forschungspotenziale und Sicherheitsaspekte

Qualitätskontrollen ermöglichen es, Verunreinigungen und Fehler an Batterien festzustellen. Auch für den Recyclingprozess ist eine Analyse der Inhaltsstoffe relevant. Mit dem Recycling von Batterien können wertvolle Materialien wie Lithium, Kobalt, Nickel und anderer Metalle zurückgewonnen werden. Bevor die Batterie zerkleinert werden kann, müssen bestimmte Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden. Batterien können eine Restladung aufweisen, die unter mechanischem Druck oder erhöhter Temperatur zu Selbstentzündung führen kann. Die bei der Zerkleinerung entstehenden Feinstäube sind gesundheitsschädlich und erfordern daher besondere Schutzkleidung. Um eine Kontamination der Umgebung zu vermeiden, sollte die Zerkleinerung in einem geschlossenen Raum durchgeführt werden. Da Batterien auch korrosive Bestandteile enthalten, ist darauf zu achten, dass das verwendete Zerkleinerungsmaterial nicht irreversibel beschädigt wird.

Technische Aspekte der Batteriezerkleinerung

Unterschiedliche Konzepte wie Schneiden, Reibung oder Stoß werden für die Zerkleinerung von Batterien eingesetzt. Die Wahl der Methode hängt von den spezifischen Anforderungen und Ausgangsbedingungen ab. Je feiner die Materialien zerkleinert werden sollen, desto höher sind die Anforderungen an die Zerkleinerungstechniken, wobei oft eine Kombination verschiedener Methoden zum Einsatz kommt. Der Prozess beginnt mit einer groben Vorzerkleinerung der Batterie, gefolgt von einer Feinmahlung. Mehrere Parameter beeinflussen das Endergebnis der Zerkleinerung, darunter die Wahl des Rotors, die Drehzahleinstellung, die Zuführgeschwindigkeit und die Absaugung. Die optimale Drehzahl sollte in Vorversuchen ermittelt werden, da eine zu hohe Rotation verhindert, dass die Probe über den Zuführtrichter in die Mahlkammer gelangt. Der Laborgerätehersteller Fritsch hat mit der Schneidmühle P-19, die über eine variable Drehzahl verfügt, ein bewährtes Gerät entwickelt. Diese Universal-Schneidmühle ist mit einem Wendeschneidplatten-Rotor aus Hartmetall Wolframkarbid ausgestattet, was aufgrund der physikalischen Festigkeitseigenschaften minimalen Abrieb gewährleistet. Die Zuführgeschwindigkeit ist ebenfalls ein kritischer Faktor für eine erfolgreiche Zerkleinerung. Um Überfütterung zu vermeiden, sollte die Probe schrittweise in die Schneidmühle gegeben werden. Der Einsatz eines Hochleistungszyklons minimiert die Feinstaubbildung und kühlt sowohl den Mahlraum als auch das Aufgabegut, was erheblich zur Arbeitssicherheit beiträgt. Die im Glas gesammelte Probe steht dann ohne weiteres Containmenthandling sofort für die nächsten Prozessschritte zur Verfügung. Nach dem Zerkleinerungsprozess folgt die Reinigung der Schneidmühle und ihrer Anbauteile. Aufgrund des dreigeteilten Gehäuses kann die Mühle leicht und ohne Werkzeug vollständig zerlegt und gereinigt werden. Die Schneidmühle P-19 trägt somit wesentlich zur kontaminationsarmen Vorbereitung für nachfolgende analytische Untersuchungen bei.

Bedeutung der Probenvorbereitung

Eine gute Probenvorbereitung lässt sich durch eine homogene und monomodale Partikelgrößenverteilung erkennen. Diese Gleichmäßigkeit ist entscheidend für die Präzision und statistische Genauigkeit bei der Probennahme, insbesondere für nachfolgende spektroskopische Analyseverfahren. Im Kontext des Stoffstrommanagements und des sog. „Urban Mining“ verbessern kleine, gleichmäßige Partikel die Effizienz sowie die sortenreine Trennung und Rückgewinnung wertvoller Materia­lien wie Lithium, Kobalt und Nickel. Kleinere Partikel bieten eine größere Oberfläche, was die nachfolgende Materialbearbeitung in weiteren Prozessen beeinflusst. Außerdem gilt: Je größer die Oberfläche, desto größer die Oberflächenladung, was die Speicherkapazitäten der Batterie erhöht. Schneidmühlen sind daher ein essenzielles Werkzeug im Supply-Chain-Management der Batterieforschung, -produktion und des Batterierecyclings.

Autor:

   Holger Brecht, Vertriebsingenieur, Fritsch