Bild 1: Das vollständige Zerlegen einer Batterie in ihre Komponenten ist heute typischerweise nicht möglich, unter anderem, weil die einzelnen Zellen unlösbar miteinander verbunden sind.

Bild 1: Das vollständige Zerlegen einer Batterie in ihre Komponenten ist heute typischerweise nicht möglich, unter anderem, weil die einzelnen Zellen unlösbar miteinander verbunden sind. (Bild: Phoenix Contact)

Die im Juli 2023 veröffentlichte EU-Batterieverordnung legt einen starken Fokus auf die Themen Nachhaltigkeit und Sicherheit von Batterien. Die Hersteller müssen in Zukunft u. a. das Reparieren (Repair), das Aufarbeiten (Refurbish) und das Umwidmen (Repurpose) von Batterien ermöglichen sowie das Recyclen vereinfachen.

Alle diese Forderungen haben den Hintergrund, dass die Herstellung und Nutzung von Batterien umweltfreundlicher werden müssen. Darüber hinaus sollen am Ende der Lebensdauer die eingesetzten Rohstoffe in möglichst hohen Anteilen wiederverwendet werden können.

Die genannten Anforderungen lassen sich mit dem Begriff Ökologischer Fußabdruck (Product Environmental Footprint, kurz: PEF) zusammenfassen. Dazu zählt auch die Effizienz der Batterien während des Betriebs.

Zum Erfüllen der genannten Kriterien kann elektrische Verbindungstechnik eine entscheidende Rolle spielen. Während des Betriebes sorgen niedrige Übergangswiderstände für ein hohe Effizienz. Beim Reparieren und Umwidmen erlaubt die richtige Verbindungstechnik das zerstörungsfreie Zerlegen der Systeme und das Wiederverwenden der Komponenten. Im Recycling-Prozess vereinfacht sie das Demontieren und ermöglicht somit automatisierte Prozesse und hohe Materialausbeute.

Typischer Aufbau einer Batterie

Wer die Herausforderungen und Lösungsansätze für einen möglichst geringen Ökologischen Fußabdruck einer Batterie verstehen will, muss sich mit deren Aufbau auseinandersetzen.

Bild 2: Modularität von Batteriesystemen – von der Zelle über das Pack zum System.
Bild 2: Modularität von Batteriesystemen – von der Zelle über das Pack zum System. (Bild: Phoenix Contact)

Generell sind Batteriesysteme modular aufgebaut, wie Bild 2 verdeutlicht. Die Batteriezelle ist die kleinste Einheit, die im Zuge der Lebensdauer zwecks Reparatur oder Wiederaufbereitung austauschbar sein könnte. Sie beinhaltet die wertvollsten Materialien wie Kobalt, Nickel, Mangan oder Lithium. Eine größere Anzahl von Batteriezellen bilden zusammen Batteriemodule. Die Zellen darin sind typischerweise parallel und in Serie miteinander verschaltet und zu diesem Zweck häufig mit Metallverbindern verschweißt. Ein oder mehrere Batteriemodule werden zu Packs vereint. Diese größeren Einheiten beinhalten im Normalfall eine Leiterplatte, um die Spannungslevel der Zellen auszugleichen (Zellen-Balancing) sowie Sensorik für Temperaturen, Ströme und Spannungen anzubinden. Über Daten- und Leistungsschnittstellen sind die Packs an eine Steuerung angebunden, die Power Control Unit (PCU) oder das Batterie-Management-System (BMS).

Mehrere solcher Verbünde werden dann zum Gesamtsystem zusammengeschaltet – mit einer übergeordneten Steuerung. Über Leistungswandler erfolgt die Anbindung an das Netz.

Herausforderungen beim Zerlegen von Batterien

Um ein defektes oder in seiner Leistungsfähigkeit eingeschränktes Batteriesystem reparieren oder aufarbeiten zu können, muss man es zerlegen. Der beschriebene Aufbau erlaubt dies mit vertretbarem Aufwand bis auf die Ebene der Batterie-Packs, bei geeigneter Konstruktion auch noch bis zu den Batteriemodulen – siehe Bild 3. Will man jedoch einzelne Zellen austauschen, ist dies üblicherweise nicht zerstörungsfrei möglich, der Grund: Die Batteriezellen sind häufig miteinander verklebt oder in einem starren, nicht zerlegbaren Käfig verpresst. Lösungsansätze hierfür sind maßgeblich mechanischer Natur und relativ naheliegend. Die elektrische Verbindung der einzelnen Batteriezellen miteinander und mit den Stromsammelschienen jedoch ist typischerweise mittels Schweißverbindungen realisiert. Ein zerstörungsfreies Herauslösen einzelner Zellen ist somit nicht möglich.

Wirtschaftliches Batterie-Recycling

Am Ende des Lebenszyklus einer Batterie steht das Recycling. Die EU-Batterievorordnung fordert, dass bis 2031 für die stoffliche Verwertung von Kobalt, Kupfer und Nickel mindestens 95 Prozent erreicht werden. Die Vorgabe für Lithium beträgt 80 Prozent. Technisch lässt sich das erreichen, aber wirtschaftlich ist es heute erst für wenige Marktteilnehmer. Ein wesentlicher Grund dafür ist, dass die Batterie-Packs von Hand zerlegt werden müssen, was deutlich höhere Kosten verursacht als ein automatisierter Prozess.

Bild 3: Batterie-Packs aus Elektrofahrzeugen in der Entladung, die im Vorfeld der Demontage stattfindet. Im Vordergrund sind die einzelnen komplett verschweißten Batteriemodule zu erkennen.
Bild 3: Batterie-Packs aus Elektrofahrzeugen in der Entladung, die im Vorfeld der Demontage stattfindet. Im Vordergrund sind die einzelnen komplett verschweißten Batteriemodule zu erkennen. (Bild: Duesenfeld GmbH, Wolfram Schroll)

Darüber hinaus werden spätestens die Batteriemodule nicht mehr weiter zerlegt, sondern als Ganzes geschreddert und zu feinem Pulver zerrieben, wie Bild 3 veranschaulicht. Die chemischen Komponenten der Zellen werden dann in den meisten Fällen mittels energieaufwändiger Prozesse aus diesem Pulver zurückgewonnen.

Alternativ könnte man auch eine Batteriezelle noch weiter zerlegen, Anoden- und Katoden-Material sowie Separator und Elektrolyt trennen und die Materialeffizienz mit weniger energetischem Aufwand deutlich erhöhen.

Auch hier würde ein vereinfachtes und vor allem automatisierbares Zerlegen der Batterie bis auf Zellebene einen klaren Vorteil bedeuten.

Elektrische Verbindungstechnik in Batteriesystemen

Bereits heute wird eine Vielzahl von elektrischen Verbindungen zum Herstellen von Batteriesystemen verwendet. Bild 5 zeigt beispielhaft, wie ein Batteriemodul in das Gesamtsystem eingebunden ist. Über sog. Batteriepolstecker werden bei hohen Spannungen bis 1500 V die Lade- und Entladeströme geleitet. Datenleitungen verbinden die Batteriemodule untereinander und mit der übergeordneten Steuerung. Über sie werden die Steuersignale für den Lade- und Entladevorgang übermittelt und Informationen zum Batteriezustand ausgetauscht. Die analogen Steuersignale z. B. für Lüftungssysteme werden mittels Signalleitungen übertragen, angebunden oft in Form von Rundsteckverbindern.

Bild 4: Das Schreddern von Batteriemodulen oder – je nach Konstruktion – auch ganzen Batteriepacks stellt den heutigen Stand der Technik beim Recyclen von Batterien dar.
Bild 4: Das Schreddern von Batteriemodulen oder – je nach Konstruktion – auch ganzen Batteriepacks stellt den heutigen Stand der Technik beim Recyclen von Batterien dar. (Bild: Duesenfeld GmbH, Wolfram Schroll)

Die beschriebenen elektrischen Schnittstellen sind vielfach standardisiert und lassen sich auch in automatisierten Montage- und Demontageprozessen handhaben. Auf Zellebene existieren derzeit nur wenige kommerzielle Lösungen für lösbare elektrische Verbindungen. Bei prismatischen Zellen trifft man gelegentlich die klassische Schraubverbindung an. Dominierend ist jedoch das Schweißen.

Bei Phoenix Contact wird an der Entwicklung innovativer Verbindungstechnik-Lösungen gearbeitet, um auch Batteriezellen einfach und automatisierbar demontieren zu können. Die Herausforderungen dabei sind vielfältig. Im normalen Betrieb der Batterie muss die Verbindung widrigen Umgebungsbedingungen standhalten, insbesondere mechanischen Spannungen, Vibrationen und Stößen. Der elektrische Übergangswiderstand, der zu Effizienzverlusten der Batterie führen kann, muss äußerst gering sein und darf sich während des Betriebs der Batterien nicht wesentlich erhöhen. Letztlich spielen auch die Kosten der Verbindungstechnik eine wichtige Rolle, die mit denen des Schweißverfahrens konkurrieren müssen.

Elektrische Verbindungstechnik in Batteriesystemen – lösbare elektrische Anschlüsse für Daten, Signale und Leistung erlauben das einfache Zerlegen.
Bild 5: Elektrische Verbindungstechnik in Batteriesystemen – lösbare elektrische Anschlüsse für Daten, Signale und Leistung erlauben das einfache Zerlegen. (Bild: Phoenix Contact)

Fazit

Auch Batterien unterliegen den wachsenden Anforderungen einer ökonomischen stofflichen Kreislaufwirtschaft. Das verlustarme Betreiben, die Möglichkeit des Reparierens und Umwidmens sowie ein wirtschaftliches Recycling lassen sich durch geeignete elektrische Verbindungstechnik vereinfachen bzw. sogar erst ermöglichen. Bei Phoenix Contact arbeitet man kontinuierlich an verbesserten Lösungen, um den ökologischen Fußabdruck von Batteriesystemen zu minimieren. (neu)

Effizienzverluste durch Übergangswiderstände

Bereits ein geringer Anstieg des Übergangswiderstandes an den Leistungsanschlüssen von Batterien kann zu erheblichen Verlustenergien über die Lebensdauer führen. Eine Kalkulation für ein typisches 10-kWh-Batteriemodul mit 48 V Nennspannung, 50 A mittlerem Lade-/Entladestrom und 5000 Vollzyklen zeigt: Bereits der unvermeidbare geringe Übergangswiderstand führt zu Verlusten in der Größenordnung von 100 kWh über die Lebensdauer. Erhöht sich dieser Übergangswiderstand leicht auf z. B. 30 mΩ, würden sich die Verluste unbemerkt bereits auf über 3000 kWh kumulieren – dem mittleren elektrischen Energieverbrauch einer dreiköpfigen Familie in Mitteleuropa. Größere Batteriesysteme bestehen aus hunderten solcher Module, was die Größenordnung der Verluste verdeutlicht.

Autor

Autor Dr. Rüdiger Meyer
(Bild: Phoenix Contact)

Dr. Rüdiger Meyer, Applikationsexperte Energiespeichersysteme, Business Area Device Connectors, Phoenix Contact GmbH & Co. KG, Blomberg

 

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