Ultrafeine Partikel haben in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Diese sogenannten Nanopartikel sind vielfaeltig anwendbar, wie z.B. als Ausgangsmaterialien fuer hochfeste Werkstoffe, in Gassensoren, als Katalysatoren, in Arzneimitteln und in Testaerosolen fuer die Heissgasentstaubung. Es wurde eine Anlage zur Nanopartikelerzeugung durch Laserverdampfung entwickelt. Zur Herstellung wird Aluminiumoxidkeramik, Graphit, Kupfer oder Aluminium mit einem C02-Laser verdampft. Aus der Kondensation entstehen kugelfoermige Primaerpartikel in einem Groessenbereich zwischen 10 und 500 Nanometern. Nach der Erstarrung koennen die Partikel durch Agglomeration unregelmassig geformte Ketten oder Flocken bilden. Deshalb wird das Aerosol so weit verduennt, dass Kollisionen der Partikel unwahrscheinlich werden und damit die Agglomerationswahrscheinlichkeit stark reduziert wird. Das zu verdampfende Material, in Form eines runden Targets, ist unter einen Drehteller montiert, der in Rotation versetzt und gleichzeitig horizontal verschoben wird. Der Laserstrahl wird von unten auf das Target fokussiert und hinterlasst durch die Targetbewegung eine spiralfoermige Bahn auf der Materialoberflaeche. Das Material verdampft lokal im Laserfokus. Der Dampf wird durch radial zustroemendes Argon in einen Sinterkegel unterhalb des Targets transportiert, wo in der heissen Zone die Kondensation und Koagulation stattfindet. In diesem Bereich bleiben die Partikel durch Absorption der Laserstrahlung fluessig, unterhalb der heissen Zone erstarren sie. Durch die Volumenaufweitung des Kegels nach unten und das seitliche Zustroemen von Argon nimmt die Partikelkonzentration von oben nach unten stark ab. Die Partikel werden auf einer Filtermembran abgeschieden und mit einem Rasterelektronenmikroskop auf Groesse, Form und Agglomerationsgrad untersucht. Neben dem Ziel der Nanopartikelerzeugung werden die zugrundeliegenden Prozesse Verdampfung, Kondensation und Koagulation sowohl experimentell als auch theoretisch detailliert untersucht.
Zielsetzung:
Batterien spielen eine entscheidende Rolle in der Transformation der (Strom-)Wirtschaft zu einer CO2 neutralen Zukunft. Die Emissionsreduktion hängt primär vom vorliegenden Strom- bzw. Energiemix ab. Einerseits für den Energieaufwand während der Erzeugung, andererseits während ihres Betriebs. Überdies dürfen CO2 Emissionen für die Erzeugung, Raffinierung und den Transport von Grundmaterialien nicht vernachlässigt werden. Hier setzen die in diesem Projekt beschriebenen Innovationen an. Aktuelle State-of-the-Art LIB Batterien verwenden einerseits nicht weltweit geläufige Rohstoffe, wie Lithium, Kobalt, Nickel, Mangan und Graphit. Diese Rohstoffe werden primär in China raffiniert. Die so hergestellten Ausgangsmaterialien werden dann ihrerseits erneut über weite Strecken transportiert. Anodenseitig wird aktuell Graphit verwendet. Beispielsweise stammen sowohl natürlicher (74%) als auch synthetischer Graphit (51%) primär aus China, weswegen chinesische Exportrestriktionen auf diesen essentiellen Zellbestandteil ein zusätzliches Hemmnis für die europäische LIB Technologie darstellen. Zusätzlich bedürfen LIB Batterien deutlich mehr CO2 in der Herstellung aufgrund der Anforderung an die Trockenräume, was bei NIB zumindest mit zusätzlicher Forschung deutlich reduzierbar wäre. Im Gegensatz dazu beruhen die Materialien für hier entworfene NIB auf weltweit geläufigen Mengenrohstoffen, was sowohl Kosten, CO2 Emissionen, Umweltbelastungen, und eben auch Abhängigkeiten von außereuropäischen Ländern minimiert.
Für eine Transformation hin zu einer nachhaltigen, erneuerbaren Wirtschaft sind billige Energiespeicher essenziell. Seit langem werden in den Roadmaps NIB als die beste Zukunftstechnologie bezeichnet, um möglichst kostengünstige Energiespeicher zu bauen. Daher wurde ein Konzept der vertikalen Integration entlang der Wertschöpfungskette erarbeitet, dass mit hoher Erfolgswahrscheinlichkeit, binnen von zwei Jahren zu einem NI-Batteriepack Prototyp führen soll. Der große Vorteil darin besteht in der raschen Weitergabe von Innovationssprüngen an den Prototypen und eventuellen Produkten. Die Zielsetzung ist eine Zelle mit einer Energiedichte von 180 Wh/kg zu entwickeln, welche dann in Endanwendungen wie Gabelstapler, Heimspeicher, und stationäre Speicher eingesetzt werden kann. Durch den angestrebten niedrigen Preis pro kWh für NIB’s sind alle Anwendungen mit einer niedrigen bis mittleren Energiedichte denkbar.
Fazit:
In diesem Projekt wurde eine Methode entwickelt, um Mangan-dotiertes preussisch Weiss deutlich langlebiger zu machen - mit Zyklenzahlen, die man auch von Lithium-Eisen-Phosphat Akkus kennt, die schon bisher als sehr langlebig gelten. Durch die Erhöhung Spannung können der wesentliche Nachteil der geringeren Energiekapazität von preussisch Weiss mitigiert werden. Das so entstandene Material kann nicht nur LFP, sondern auch NiCd und Blei-Säure Batterien ersetzen.
tozero is committed to its mission to truly bring lithium-ion battery waste to zero. With its novel hydrometallurgical (i.e. wet chemical)battery recycling approach, it can maximize the recovery of critical raw materials (lithium, nickel, cobalt, manganese, and graphite)from both lithium-ion batteries that have reached their end of life, and scrap created during the production of new batteries.Proven on a daily basis in an operational pilot plant (commissioned in July 2023) close to Munich, Germany, tozero already now fulfillsthe recovery rates for critical raw materials from lithium-ion battery waste required by the recently enforced EU Battery Directive for2027 and 2031 and established itself as one of the leading battery recycling startups in Europe. In addition, the use of less aggressivechemicals than competitors and a mostly closed circular production process reduces the carbon footprint for batteries using tozero’srecycled material compared to batteries using mined materials by up to 80%.Considering an initial pre-seed funding of EUR 3.5mn in 2022, receiving the EIC grant would allow to significantly accelerate tozero´sscale up to industry-scale commercialization and bridge the gap for the next funding round. First, this includes additional funds fromthe EIC for the purchasing and in-house optimization of chemical reactors tailored to the innovative hydrometallurgical process oftozero. Second, it allows us to largely automate our processing and prepare for industry-scale processing. Third, it supports in thecreation of a full lifecycle assessment that is required to officially accredit our CO2e savings and helps to identify the largest lever tofurther reduce our environmental footprint. All three aspects combined allow to reach an industrial scale proof of our operations andunlock a large equity financing round in 2026.
Polymer-basierte Batterien gelten als aussichtsreiche Kandidaten für eine nachhaltige Energiespeicherung, was u.a. motiviert wird durch einen reduzierten Energieverbrauch bei der Herstellung, eine einfachere Recyclingfähigkeit sowie die Verwendung leicht zugänglicher Materialien und dem Austausch kritischer Metalle. Aktuell leiden Polymer-basierte Batterien jedoch unter diversen Herausforderungen hinsichtlich ihrer elektrochemischen Performanz, insbesondere einer geringen Energiedichte oder nicht ausreichender Zyklenstabilität. Zudem fehlt aktuell noch ein grundlegendes Verständnis bzgl. der Kapazitätsverluste der Zellen sowie der auftretenden Alterungsmechanismen an den Elektroden/Elektrolyt-Grenzflächen. In diesem Projekt soll ein Spezialtyp einer Polymer-basierten Batterie systematisch untersucht werden, eine sogenannte Polymer-basierte Dual-Ionen-Batterie (DIB), welche organische Materialien des n- und p-Typs zur simultanen Speicherung von Kationen und Anionen verwendet. Das DIB-System unterscheidet sich von klassischen Polymer-Batterien basierend auf dem Kationen- oder Anionen-'Rocking-Chair'-Prinzip, da hier nicht nur eine Ionensorte, sondern sowohl Kationen als auch Anionen beteiligt sind. Dieses Speicherprinzip bietet verschiedene Vorteile, wie u.a. eine hohe Variabilität möglicher Kation-Anion-Paare sowie typischerweise eine hohe Zellspannung, die durch geeignete Polymermaterialien erreicht werden kann. Zur Entwicklung Polymer-basierter DIB-Systeme mit verbesserter Energiedichte und Stabilität werden in diesem Projekt verschiedene Strategien adressiert: (I) Design neuartiger Polymermaterialien mit höherem Arbeitspotential für die positive Elektrode ('Spannungstuning'), (II) Entwicklung von Hybridsystemen wie Graphit / Polymer mit hoher Zellspannung, (III) Entwicklung von 'All-Polymer'-DIB-Systemen, mit verschiedenen Konzepten wie der Entwicklung ambipolarer Polymersysteme sowie sogenannter 'Reverse-All-Polymer-DIB-Systeme'. Die verschiedenen Polymer-DIB-Systeme sollen hinsichtlich ihrer elektrochemischen Performanz umfassend untersucht werden, wobei der Einfluss der Elektrolytformulierung und der gebildeten 'Interphasen' auf die reversible Kapazität und Stabilität während der Lade-/Entladezyklisierung im Vordergrund der Untersuchungen stehen. Zu diesem Zweck werden verschiedene ex-situ und in-situ Analysen durchgeführt, um wichtige und umfassende Einblicke in die mechanistischen Eigenschaften der Kationen- bzw. Anionen-Speicherung, die Stabilität der Polymermaterialien und die Rolle der 'Interphasen' zu erhalten. Es wird erwartet, dass die in diesem Projekt gewonnenen grundlegenden Erkenntnisse für die Entwicklung verbesserter polymerer Aktivmaterialien und optimierter Elektrolyte für Polymer-basierte DIB-Zellen mit hoher Energiedichte und Zyklenstabilität von großer Bedeutung sind.
Die neu gegründete Butterweck Holzstoffe GmbH & Co. KG ist über die Gesellschafterstruktur mit der Butterweck Rundholzlogistik GmbH & Co. KG verbunden. Das mittlerweile in zweiter Generation geführte Familienunternehmen in Lehe/Ems ist als Dienstleister in der Forstwirtschaft tätig und bietet Beratung bei der Waldbepflanzung sowie der Waldbetreuung, -pflege und -vermessung an, unterstützt bei der bestandschonenden Holzernte und der Transportlogistik und vertreibt darüber hinaus Brenn- und Rundholz sowie Hackschnitzel und Rindenmulch. Die Butterweck Holzstoffe GmbH & Co. KG plant die erstmalige großtechnische Realisierung einer Anlage zur Herstellung von Holzschaumplatten ohne Verwendung von synthetischen Bindemitteln. Die vom Wilhelm-Klauditz-Institut in Braunschweig entwickelten holzbasierten Schäume sind ein neuer Werkstoff und werden in Deutschland noch nicht großtechnisch hergestellt. Sie sollen Verwendung als Dämmplatten, Möbel- und Sandwichelemente oder als Torfsodenersatz finden. Die Holzschaumplatten sollen konventionelle Holzfaserplatten, erdölbasierte Schäume sowie Verbunddämmmaterialien ersetzen, deren Herstellung mit schädlichen Umweltauswirkungen verbunden sind. So werden Holzfaserplatten in Deutschland üblicherweise mit synthetischen Bindemitteln, wie pMDI oder Harnstoff-Formaldehyd-Harzen, hergestellt. Die Bindemittel führen während und vor allem nach der Herstellung z.B. zu Formaldehydemissionen. Die Herstellung der Holzschaumplatten kommt hingegen ohne die Verwendung synthetischer Bindemittel aus. Insbesondere soll bei der Herstellung dieses neuartigen Werkstoffes die Ressourceneffizienz gegenüber der Herstellung konventioneller Produkte gesteigert und der Chemikalieneinsatz reduziert werden. Zur Herstellung des Holzschaums werden Holzhackschnitzel in verschiedenen Verfahrensschritten zellular aufgeschlossen. Die dadurch entstandene wässrige Suspension wird unter Zugabe eines Treibmittels im Intensivmischer aufgeschäumt. Ferner werden Proteine eingesetzt, die den Schäumungsprozess unterstützen und dabei denaturieren. Abhängig vom geplanten Anwendungsbereich der Platten werden ggf. auch Graphite als Flammschutzmittel und/oder Wachse als Hydrophobierungsmittel zugegeben. Auf synthetische Bindemittel kann vollständig verzichtet werden. Der Holzschaum wird anschließend auf ein spezielles Förderband in Plattenform aufgebracht und mittels einer innovativen elektromagnetischen Trocknungsanlage auf die erforderliche Endfeuchte getrocknet. Diese Trocknung zeichnet sich durch einen sehr schnellen Wärmeeintrag und einen hohen Wirkungsgrad aus. Je nach Mahlgrad, eingesetzter Faser- und Additivmenge können unterschiedliche Plattenrohdichten für unterschiedlichste Anwendungen erzeugt werden. Die so hergestellten Holzschaumplatten können wie konventionelle Holzwerkstoffplatten nachbearbeitet werden, z.B. durch Sägen, Schleifen und Beschichten. Fehlerhafte Platten können in den Produktionsprozess zurückgeführt oder zu Torfsodenersatz weiterverarbeitet werden. Die Umweltentlastungen des Vorhabens beruhen auf der umweltschonenderen Herstellung der Holzschaumplatten im Vergleich zur Herstellung von konventionellen Werkstoffen. Die Herstellung der Holzschaumplatten besitzt eine höhere Materialeffizienz als die Herstellung vergleichbarer Holzfaserplatten. Die konkrete Holzeinsparung ist abhängig vom Referenzprodukt. Ausgehend vom geplanten Produktportfolio nach Inbetriebnahme werden Holzeinsparungen in Höhe von 14.813 Tonnen pro Jahr erwartet, was rund 68 Prozent pro Jahr entspricht. Als Rohstoff für die Holzschaumplatten kommt sämtliche hölzerne Biomasse in Betracht (z.B. Nadel- & Laubholz, Altholz, Sägerestholz, Flachs oder Maisspindeln), wodurch die Kaskadennutzung unterstützt wird. Auch die Laubholznutzung wird dadurch gefördert. Für Holzfaserdämmplatten wird zurzeit ausschließlich Nadelrundholz eingesetzt. Bei der Holzschaumherstellung wird die Trocknungsluft im Kreislauf gefahren (Umluft), so dass bei diesem Prozessschritt keine Abluft entsteht und Emissionen vollständig vermieden werden. Gemäß den Ergebnissen der Vorversuche ist die elektromagnetische Trocknung darüber hinaus sechsmal energieeffizienter als eine konventionelle Trocknung. Das Prozesswasser wird ebenfalls im Kreislauf gefahren und innerbetrieblich gereinigt. Nach dem Anfahren der Produktionsprozesse wird unter normalen Betriebsbedingungen kein Frischwasser benötigt, da durch das Frischholz ausreichend Wasser in den Prozess nachfolgt. Das Vorhaben kann insbesondere auf Anlagen der Holzwerkstoffindustrie, aber auch auf die Sägeindustrie oder Holzpelletindustrie übertragen werden, bei denen die vor- und nachgelagerten Prozesse der Holzverarbeitung bereits vorhanden sind und die Prozesse der Holzschaumherstellung ergänzt werden können. In Anbetracht knapper werdender Holzressourcen besitzt das Vorhaben außerdem Modellcharakter für eine ressourceneffiziente und abfallfreie Nutzung von Biomasse. Die elektromagnetische Trocknung als Einzeltechnik kann auch auf Anlagen anderer Branchen übertragen werden, insbesondere wenn instabile Produkte mit hohem Wasseranteil getrocknet werden müssen.
Branche: Holzverarbeitung
Umweltbereich: Ressourcen
Fördernehmer: Butterweck Holzstoffe GmbH & Co. KG
Bundesland: Niedersachsen
Laufzeit: seit 2023
Status: Laufend