Batterien unterliegen den wachsenden Anforderungen einer ökonomischen stofflichen Kreislaufwirtschaft. (Quelle: Phoenix Contact)
Die im Juli 2023 veröffentlichte EU-Batterieverordnung1 legt einen starken Fokus auf die Themen Nachhaltigkeit und Sicherheit von Batterien. Die Hersteller müssen in Zukunft unter anderem das Reparieren (Repair), das Aufarbeiten (Refurbish) und das Umwidmen (Repurpose) von Batterien ermöglichen sowie das Recyclen vereinfachen.
All diese Forderungen haben den Hintergrund, dass die Herstellung und Nutzung von Batterien umweltschonender 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 – 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 Betriebs sorgen niedrige Übergangswiderstände für eine hohe Effizienz. Beim Reparieren und Umwidmen ermöglicht die richtige Verbindungstechnik das zerstörungsfreie Zerlegen der Systeme und das Wiederverwenden der Komponenten. Im Recyclingprozess vereinfacht sie das Demontieren und ermöglicht somit automatisierte Prozesse und eine 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.
Generell sind Batteriesysteme modular aufgebaut (Bild 1). Die Batteriezelle ist die kleinste Einheit, die im Zuge der Lebensdauer zwecks Reparatur oder Wiederaufbereitung austauschbar sein könnte. Sie enthält 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 enthalten im Normalfall eine Leiterplatte, um die Spannungslevel der Zellen auszugleichen (Zellen-Balancing) und Sensorik für Temperaturen, Ströme sowie 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.
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1 Verordnung (EU) 2023/1542 des Europäischen Parlaments und des Rats vom 12. Juli 2023 über Batterien und Altbatterien.