ANLAGE UND VERFAHREN ZUM ZERKLEINERN VON BATTERIEZELLEN

Abstract

 Es ist eine Anlage und Verfahren zum Zerkleinern von Batteriezellen, insbesondere Batterie- oder Akku-Pouches, offenbart, mit einer angetriebenen mechanischen Zerkleinerungseinrichtung (1), einer Zuführeinrichtung (2) zum Zuführen der Batteriezellen zur Zerkleinerungseinrichtung (1) mit einer steuerbaren Zuführgeschwindigkeit, derart, dass die Zerkleinerungseinrichtung die zugeführten Batteriezellen unmittelbar mit der Zuführgeschwindigkeit zerkleinert, einem Gehäuse (3), welches zumindest den Teil (21) der Zuführeinrichtung, welcher der Zerkleinerungseinrichtung (2) zugewandt ist und die Zerkleinerungseinrichtung (2) umschließt, wobei das Gehäuse (3) einen Eingang (31) aufweist, über welchen die Batterien in das Innere (39) des Gehäuses gelangen können und das Gehäuse (3) einen Ausgang (35) aufweist, über welchen die zerkleinerten Batterien das Gehäuse verlassen können, wobei vorzugsweise im Bereich des Eingangs (31) Einschleusungsmittel (32) und im Bereich des Ausgangs (35) Ausschleusungsmittel (36) vorgesehen sind, die geeignet sind einen im Inneren des Gehäuses durch entzündete Batteriezellen verursachten Brand im Inneren (39) des Gehäuses (3) zu halten. Der erfindungsgemäß kontinuierliche Zerkleinerungsprozess ist sicherer gegen Brände und erlaubt eine effektivere Zerkleinerung und Trennung der gewünschten Schwarzmasse als batchweise betriebene Verfahren.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Anlage und Verfahren zum Zerkleinern von Batteriezellen, insbesondere Lithium-lonen-Batteriezellen. Derartige Anlagen verfügen üblicherweise über eine mechanische Zerkleinerungseinrichtung in Form eines Schredders.

[0002] Mit der zunehmenden Durchsetzung und Verbreitung von großen Mengen an Lithium-Ionen-Batteriezellen, besteht ein Bedürfnis nach einem sicheren, effizienten, energiesparenden und schadstofffreisetzungsarmen Recycling der Zellen, die häufig in Form von Pouches oder Rundzellen vorliegen. Grundsätzlich besteht der Trend, dass die Batteriezellen bzw. Pouches schmäler und länger werden, sowie keine Gehäuse mehr verwendet werden.

[0003] Bislang werden grundsätzlich zwei Verfahrenswege zum Recycling von Lithium-Ionen-Batteriezellen am Ende ihres Lebenszyklus eingeschlagen:
Die Thermische Aufschmelzung der Zelle, wie beispielsweise so beschrieben im Verfahren von UmiCore (VAL'ES^™), offenbart lediglich die thermische Unschädlichmachung. Das wertvolle Lithium geht dabei verloren.

[0004] WO 2010149611 A1 offenbart mechanische und chemische Separationsverfahren, zur mechanischen Zerkleinerung von insbesondere Lithium-lonen-Batteriezellen und der damit verbundenen Gefahrpotentiale. Die mechanische Zerkleinerung der bereitgestellten Batterien, findet in Anwesenheit von einem Metallbrandschutzmittel statt, welches geeignet ist einen Brand der Batterien zu unterdrücken oder zu vermindern; und von einem Bindemittel, welches geeignet ist Säuren und/oder Basen zu binden. Die verwendeten Schredder verursachen eine Erwärmung der Batteriezellen durch die Reiß-, Quetsch- und Dehn-Verformungen und der damit verbundenen Reibung.

[0005] Weitere Veröffentlichungen, wie z.B. "Recycling von Lithium-lonen-Batterien - LithoRec II" offenbaren im Batchbetrieb die Zerkleinerung und anschließende Vakuumtrocknung, was den Prozess aufwendig und langsam macht.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Anlage und Verfahren zum Zerkleinern von Batteriezellen, insbesondere Lithium-lonen-Batteriezellen, zu schaffen.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anlage zum Zerkleinern von Batteriezellen, insbesondere Lithium-lonen-Batteriezellen gelöst, welche die Merkmale des Hauptanspruchs aufweist. Ein entsprechendes Verfahren ist Gegenstand des nebengeordneten Anspruchs.

[0008] Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Anlage sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0009] Die erfindungsgemäße Anlage zum Zerkleinern von Batteriezellen umfasst eine angetriebene mechanische Zerkleinerungseinrichtung. Diese zerkleinert die Batteriezellen, insbesondere spanend und kann als Fräswerkzeug ausgebildet sein. Ferner ist eine Zuführeinrichtung, z.B. ein Förderband, ein Kastenbeschicker und/oder Bunkerband, zum Zuführen der Batteriezellen mit einer steuerbaren Zuführgeschwindigkeit zur Zerkleinerungseinrichtung vorgesehen. Da diese mit einer steuerbaren Zuführgeschwindigkeit arbeitet, kann die Zerkleinerungseinrichtung die zugeführten Batteriezellen unmittelbar mit der Zuführgeschwindigkeit zerkleinern. Das heißt, dass die mit der Zerkleinerungseinrichtung in Kontakt tretenden zugeführten Batteriezellen unmittelbar mit dieser Zuführgeschwindigkeit zerkleinert werden; sie werden sinnbildlich in dieser Geschwindigkeit "weg geknabbert". Die Zellen können wegen dieser Zwangsführung mit einem kontrollierten, insbesondere gleichmäßigen, Massenstrom zerkleinert werden, anders als bei in einen Schredder geworfenen Batteriezellen, bei denen zufallsbedingt unregelmäßige große Mengen geschreddert werden. Erfindungsgemäß werden dagegen vorzugsweise die Zellen fixiert gehalten beim Zerkleinern um zufällig auftretende Lastspitzen, wie sie beim Schreddern auftreten, zu verhindern. Zusammen mit dem Gehäuse und den Ein- und Ausschleusungsmitteln kann ein Brand im Inneren des Gehäuses gehalten werden:
Der Massestrom im Sinn der Erfindung ist keine exakte Größe, sondern ein Bereich, z.B. 4 - 10 kg/min.

[0010] Ferner umschließt ein Gehäuse die Zuführeinrichtung und die Zerkleinerungseinrichtung, wobei das Gehäuse einen Eingang aufweist, über welchen die Batterien in das Innere des Gehäuses gelangen können und das Gehäuse einen Ausgang aufweist, über welchen die zerkleinerten Batterien, die somit in technischem Sinne das "Mahlgut" bilden, das Gehäuse verlassen können. Das Gehäuse umschließt also den Gefahrbereich und verhindert im Brandfall, der wegen der geringen absoluten Mengen im Gefahrbereich ohnehin wenig wirksam ist, ein Ausbreiten auf die Umgebung, z.B. des Batterielagers oder die angesammelte Menge an zerkleinerten Batteriezellen.

[0011] Grundsätzlich ist denkbar, dass über eine Absaugung ein Unterdruck im Inneren des Gehäuses aufrechterhalten wird, so dass Gase und Stäube sowie durch entzündete Batteriezellen verursachte Brände im Inneren des Gehäuses gehalten werden können. Vorzugsweise sind aber im Bereich des Eingangs Einschleusungsmittel und im Bereich des Ausgangs Ausschleusungsmittel vorgesehen, die geeignet sind Gase und Stäube sowie einen im Inneren des Gehäuses durch entzündete Batteriezellen verursachten Brand im Inneren des Gehäuses zu halten. Dadurch wird der potentielle Gefahrbereich von den übrigen Teilen der Anlage wirksam abgegrenzt. Einschleusungsmittel und Ausschleusungsmittel sind dem Fachmann bekannt und können je nach Anforderung ausgewählt werden. Die Batteriezellen und das zerkleinerte Gut müssen die Schleusen passieren können und im Fall eines Brandes müssen die Schleusen blockieren können, derart, dass ein Brand die Schleuse nicht passieren kann. Mögliche Bauformen sind beispielsweise Mehrtürschleusen; Brandschutzvorhänge, die von der Gehäusedecke auf die Zuführeinrichtung herabhängen; oder Drehtüren und Portionierer, z.B. Zellradschleusen, sowie Schleusenbänder.

[0012] Wesentlich ist, dass vorzugsweise die Anlage derart ausgelegt ist, dass sie kontinuierlich und nicht batchweise arbeitet. Kleinere Unterbrechungen beim Zerkleinern sind möglich, z.B. wenn die Batteriezellen mit kleineren Zwischenabständen auf der Zuführeinrichtung angeordnet sind. Batchweise bedeutet dagegen: Sammeln einer Menge an Batteriezellen in einem Behälter; einheitliches gleichzeitiges Einwirken auf diese Menge mittels des Zerkleinerers bis die gesamte Menge zerkleinert ist; Entfernen der gesamten Menge aus dem Behälter; Wiederholung der Schritte mit einer neuen Menge an Batteriezellen. Gegenüber bekannten, batchweise betriebenen Mahlprozessen wird erfindungsgemäß eine kontinuierlich betriebene Zerkleinerung durchgeführt, die so dimensioniert werden kann, dass im laufenden Betrieb die maximale Gefahrgutmenge an Batteriezellen und Mahlgut in der Zerkleinerungseinrichtung immer unterhalb kritischer Grenzen gehalten werden kann. Dies senkt das chemische Reaktionspotential einer möglichen spontanen Oxidation mit Explosions- und Brandgefahr. Durch geschickte Auslegung können trotz geringer absoluter Mengen im Gefahrbereich bei großer Zuführgeschwindigkeit und großer Zerspanrate vergleichsweise große Mengen pro Stunde zerkleinert werden. Sicherheitsmaßnahmen, wie Inertisierung oder Kühlung sind nicht zwingend notwendig. In Batchweise betriebenen Mahlprozessen, wird üblicherweise eine möglichst große Menge an Batteriezellen pro Batch verarbeitet. Entsprechend groß ist das Gefährdungspotential im Batchprozess im Fall der Erwärmung / Entzündung, weshalb aufwendige Inertisierung erforderlich ist.

[0013] Vorzugsweise ist eine Steuerung vorgesehen, welche die Geschwindigkeit der Zuführeinrichtung und die Arbeitsgeschwindigkeit der Zerkleinerungseinrichtung derart steuert, dass eine festgelegte Masse an Batteriezellen im Inneren des Gehäuses nicht überschritten wird. Es wird damit sichergestellt, dass selbst im Fall der Entzündung der Batteriezellen im Inneren des Gehäuses die Folgen beherrschbar bleiben, also ein Feuer im Inneren des Gehäuses weder die Anlage schädigt, noch aus dieser auf die Umgebung, insbesondere die vor bzw. nach den Ein- bzw. Ausschleusungsmittels gelagerten Pouches bzw. Mahlgut übergreifen kann.

[0014] Vorzugsweise ist eine Steuerung vorgesehen, welche die Geschwindigkeit der Zuführeinrichung und die Arbeitsgeschwindigkeit der Zerkleinerungseinrichtung steuert, derart, dass ein definierter Massestrom von der Zerkleinerungsvorrichtung zerkleinert werden kann. Dies ermöglicht eine Synchronisierung von Zuführeinrichung mit der Zerkleinerungseinrichtung um eine gleichförmige Zerkleinerung der Batteriezellen bei gleichzeitig hohem Durchsatz zu bewirken, der im Batchbetrieb so nicht erzielt werden könnte. Dieser Aspekt wird unten weiter vertieft. Ein definierter Massestrom erlaubt eine optimale Zerkleinerungsrate, die aufgrund von Berechnungen oder Erfahrungen unterhalb einer Zerkleinerungsrate liegt, bei der zu viel thermische Energie erzeugt wird.

[0015] Eine zusätzliche Betriebssicherheit wird erreicht, wenn im Gehäuse Sensoren zum Detektieren von Bränden und nicht-inerten Atmosphären vorgesehen sind, die derart mit der Steuerung verbunden sind, dass die Zuführeinrichung gestoppt wird sobald ein Brand detektiert wird und brandlöschende Maßnahmen eingeleitet werden können, insbesondere durch Zuführen von brandhemmenden Gasen, beispielsweise Inertgas, N2 / CO2.

[0016] Vorzugsweise sind als Einschleusungsmittel brandhemmende Vorhänge zwischen Decke des Gehäuses und der Oberfläche der Zuführeinrichtung vorgesehen und/oder als Ausschleusungsmittel Portionierer, beispielsweise eine Zellradschleuse.

[0017] Wenn die Zuführeinrichtung Mittel zum erzwungenen Zuführen der Batteriezellen mit definierter Geschwindigkeit zur Zerkleinerungseinrichtung aufweist, insbesondere mit der Geschwindigkeit der Zuführeinrichtung, ist die beim Zerkleinern den Batteriezellen erzeugte Wärme berechenbar. Mittel zum erzwungenen Zuführen der Batteriezellen, insbesondere in geometrisch definierter Ausrichtung, sind beispielsweise an die Geometrie der Batteriezellen angepasste formschlüssige Halter / Fächer auf der Zuführeinrichtung oder Anpressrollen, die die Batteriezellen fest auf die Zuführeinrichtung drücken. Die Zuführeinrichtung kann daher insbesondere ein Förderband sein, vorzugsweise mit einer rauen Oberfläche. Die beim Zerkleinern der Batteriezellen erzeugte Wärme ist insbesondere dann berechenbar, wenn auch die anderen Anlagenparameter, die auch weiter unten beschrieben werden, berücksichtigt werden. Der Zerkleinerungsprozess kann dann so geführt werden, dass unerwünschte chemische Umsetzungen durch Erhitzung vermieden werden bei einer daran angepassten optimierten hohen Zerkleinerungsgeschwindigkeit. Es kommt zu keinem Wegspringen der Zellen beim Eingriff des Zerkleinerers und somit werden zufällig auftretende Lastspitzen, wie sie beim Schreddern auftreten, verhindert.

[0018] Dabei hilft auch eine vorzugsweise vorgesehene Beschickungseinrichtung mit Mengensteuerung mit einer ersten Wäge Einrichtung. Diese ist derart ausgeführt, dass der Massenstrom an Batteriezellen, welcher der Zuführeinrichtung zugeführt wird, einen definierten Massestrombereich einhält.

[0019] Eine zweite Wäge Einrichtung kann hinter den Ausschleusungsmitteln vorgesehen sein zum Ermitteln des Massenstroms an Batteriezellen, welcher aus dem Gehäuse ausgeschleust wird. Die Steuerung kann daher durch Bilanzierung des in das Gehäuse eingeschleusten und aus dem Gehäuse ausgeschleusten Massenstroms an Batteriezellen die im Gehäuse befindliche Menge an Batteriezellen errechnen. Dies ermöglicht eine Notabschaltung oder zumindest eine Unterbrechung der Zuführung weiterer Batteriezellen. Es werden kritische Materialansammlungen, bezogen auf die chemische Reaktivität durch kontinuierliche Bilanzierung vermieden. Trotz hoher Zerkleinerungsgeschwindigkeiten und hohem Massedurchsatz bleibt das Gefährdungspotential gering, da die absoluten Mengen im Gehäuse vergleichsweise klein bleiben.

[0020] Daher ist vorzugsweise die Steuerung derart ausgelegt, dass im Falle der Überschreitung eines Grenzwertes für die im Gehäuse maximal befindlichen Menge an Batteriezellen, die Zerkleinerungseinrichtung und Zuführeinrichtung, vorzugsweise die Beschickungseinrichtung angehalten wird.

[0021] Im Allgemeinen ist vorzugsweise eine beliebige Mengenermittlungseinrichtung und Mengenbegrenzungseinrichtung vorgesehen und mit der Steuerung verbunden, die derart ausgebildet ist, dass die im Gehäuse befindliche Menge an Batteriezellen ermittelt wird und im Falle der Überschreitung eines Grenzwertes für die im Gehäuse maximal befindlichen Mengen an Batteriezellen, die Zerkleinerungseinrichtung und Zuführeinrichtung, vorzugsweise die Beschickungseinrichtung angehalten wird. Dies kann anders als oben beschrieben auch ohne bilanzierende Wägung am Aus- und Eingang realisiert werden, z.B. durch Kameras, optische Systeme, Lichtschranken, Lidar, etc.

[0022] Optimalerweise fließen möglichst viele Parameter in die Berechnung der optimalen Zerkleinerungsrate. Vorzugsweise ist die Arbeitsgeschwindigkeit der Zerkleinerungseinrichtung an die Geschwindigkeit der Zuführeinrichtung und/oder an den der Zerkleinerungseinrichtung zugeführten Massenstrom an Batteriezellen angepasst, so, dass die Zerkleinerungseinrichtung im optimalen Betriebspunkt betrieben wird. Dieser liegt dann vor, wenn die Zerkleinerungsrate so groß wie möglich ist, ohne dass der thermische Energieeintrag die Gefahr einer Entzündung bewirkt.

[0023] Vorzugsweise ist die Zerkleinerungseinrichtung derart ausgelegt, dass sie die Batteriezellen zerspanend zerkleinert und insbesondere nicht durch Zerreißen oder Zerquetschen. Bei der Spanbildung wird weniger thermische Energie erzeugt als bei Verformungen. Vorzugsweise ist die Zerkleinerungseinrichtung als Fräser, Fräswalzen, Einwellenfräse, alle vorzugsweise mit Hartmetall- oder Keramik-Platten, vorzugsweise -Wendeplatten, oder fest mit der Welle verschweißten Hartmetallschneiden ausgestaltet. Dabei ist vorzugsweise der Wellendurchmesser, der den Umlauf des Schneidwerkzeugs definiert grösser-gleich dem dreifachen der max. Höhe der Batteriezelle, gesehen senkrecht zur Ebene der Zuführeinrichtung auf welcher die Batteriezellen legen.

[0024] Vorzugsweise kommen als Batteriezellen erfindungsgemäß Pouch-Zellen zum Einsatz. Diese ist eine verbreitete Bauform eines Lithium-Polymer-Akkumulators, mit einer flexiblen Außenhülle. Bei üblichen älteren zylindrischen Zellen mit massiver metallischer Außenhülle werden die aktiven Schichten um die innere Elektrode gewickelt. Im Gegensatz dazu werden bei Pouch-Zellen die gestapelten oder gefalteten aktiven Schichten von einer flexiblen, meist auf Aluminiumbasis bestehenden Außenfolie eingeschlossen. Die offenen Seiten der Außenbeutel werden meist thermisch verschweißt. Im Inneren können mehrere elektrische Einzelzellen gestapelt werden, um in Reihenschaltung die elektrische Spannung und in Parallelschaltung die Kapazität und Strombelastbarkeit zu erhöhen. Die Folienaußenhülle wird am Ende der Fertigung vakuumiert, wodurch die Zellschichten verpresst und fixiert werden; dabei bleiben sie aber meist flexibel. Lediglich die äußeren Anschluss-Elektroden verlassen die beutelförmige Zellumhüllung. Daher sind diese Zellen gut zerkleinerbar und enthalten wenig massives Metall, insbesondere nur die die äußeren Anschluss-Elektroden aus Kupfer. Beim Zerkleinern entsteht eine Mischung aus Kunststofffolien, teilweise mit darauf aufgedruckten metallischen Elektroden und der sogenannten Schwarzmasse, welche neben der Elektrolytflüssigkeit insbesondere Cobalt, Lithium, Mangan, Magnesium und Graphit und andere Inhaltsstoffe enthält bzw. enthalten kann.

[0025] Auch wenn nicht zwingend erforderlich, kann eine Trockeneiszuführeinrichtung vorgesehen sein. Diese führt kontinuierlich Trockeneis den auf der Zuführeinrichtung befindlichen Batteriezellen, insbesondere im Bereich des eingehausten Übergangs zwischen Zuführeinrichtung und Zerkleinerungseinrichtung, zu. Damit wird sichergestellt, dass die Batteriezellen gekühlt werden, insbesondere während der Zerkleinerung. Gleichzeitig verspröden die Batteriezellen und damit deren weitere pastösen Inhalte. Als Nebeneffekt wird der Innenraum des Gehäuses durch das verdampfende CO₂ gespült um den O₂ Gehalt im Innenraum unter 10 vol%, vorzugsweise unter 5 vol% zu halten. Brände können so verhindert oder zumindest stark beschränkt werden. Andererseits besteht die Möglichkeit durch gezielte dosierte Kühlung und Inertisierung den Durchsatz der Anlage zu erhöhen.

[0026] Ferner kann eine Inertgaszuführeinrichtung vorgesehen werden, damit kontinuierlich Inertgas, z.B. N₂, CO₂, in den Innenraum des Gehäuses gespült wird um den O₂ Gehalt im Innenraum unter 10 vol%, vorzugsweise unter 5 vol% zu halten.

[0027] Nach dem Zerkleinern ist vorzugsweise ein Friktionswäscher vorgesehen, zum Auswaschen von Schwarzmasse, des Elektrolytes und anderen Bestandteilen aus den zerkleinerten Batterien bzw. Mahlgut. Dabei wird das Mahlgut mittels Spülwasser gespült, so dass unterschiedliche Materialien, z.B. Folienreste der Pouches von der Schwarzmasse und anderen Bestandteilen der Batterien getrennt werden können. Das Elektrolyt löst sich im Spülwasser und/oder wird mit einer großen Menge Spülwasser ausgewaschen, und ist daher nicht mehr brennbar. Zweckmäßigerweise ist der Friktionswäscher derart angeordnet und ausgelegt, dass die zerkleinerten Batterien von den Ausschleusungsmitteln, vorzugsweise über die zweite Wäge Einrichtung, dem Friktionswäscher zugeführt werden können.

[0028] Bekannte Friktionswäscher werden zum Waschen von Mahlgutfraktionen eingesetzt, z.B. von Folienschnitzeln oder Granulat aus PET-Flaschenware. Dabei geht es um die Reinigung und Abtrennung der Schnitzel / Granulat von unerwünschten Fremdstoffen, z.B. Schmutz, Kleber, etc. Das Mahlgut, also die Folienschnitzel oder Granulat, wird durch die Rotorwelle des schräg angeordneten Friktionsabscheiders zum oben liegenden Auslauf transportiert, wobei während des Transports von unten nach oben der Waschvorgang erfolgt. Die Fremdstoffe werden dagegen gemeinsam mit dem Spülwasser durch ein die Schneckenwelle umschließendes Feinsieb nach außen geschleudert und können durch einen tiefer liegenden Spülwasserabfluss ablaufen. Zusätzliches Wasser kann bei Bedarf direkt durch den Deckel in den Produktionsraum gefüllt werden.

[0029] Erfindungsgemäß wird der Friktionswäscher anders als üblich eingesetzt: Es kommt nicht nur auf die gereinigte Fraktion an Folienresten an, sondern vielmehr auch auf die im Spülwasser geführten Bestandteile, die im Fall von Batterien gerade die lithiumhaltige Schwarzmasse umfasst. Das Spülwasser wird daher einer weiteren Filterung/Siebung unterzogen.

[0030] Da die zerkleinerten Batterien unmittelbar dem Friktionswäscher zugeführt werden und daher in Wasser gelangen, wird der brennbare Elektrolyt in vergleichsweise großen Mengen von Spülwasser verdünnt und stellt keine Gefahr mehr dar.

[0031] Im Spülwasser erfolgt eine Bindung aller beim Zerkleinerungsprozess entstehenden Feinpartikel, insbesondere der als gesundheitsschädlich deklarierten.

[0032] Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass durch einen Friktionsabscheider eine rückstandsfreie Auswaschung der Schwarzmasse durch konditioniertes (pH-Wert, etc.) Spülwasser erreicht werden kann. Dabei erfolgt eine Abtrennung des Gefahrstoffs Elektrolyt, ggf. mehrstufig. Der Friktionsabscheider erzeugt weitgehend eine reine Grobfraktion, die keine Graphite, Metallsalze oder wie auch immer geartete Elektrolyte enthält. Diese Grobfraktion, bestehend aus Folien, Wickelkernen und anderen zellgeometriebildenden Werkstoffen kann anschließend im trockenmechanischen Prozess weiterverarbeitet werden.

[0033] Daher weist der Friktionsabscheider zum Zu- und Abführen des Spülwassers eine Spülwasserzuführung und einen Spülwasserabfluss auf. Vorzugsweise ist ein Filter, vorzugsweise eine Kammerfilterpresse, mit dem Spülwasserabfluss verbunden, welcher derart angeordnet und ausgelegt, dass das abgeführte Spülwasser den Filter durchströmt, wobei der Filter derart ausgelegt ist, dass die Schwarzmasse und weitere feste Bestandteile herausgefiltert werden können.

[0034] Der Filter filtert neben der eigentlichen Schwarzmasse weitere unerwünschte feste und relativ zu den kleinen Partikeln der Schwarzmasse auch größere Bestandteile, z.B. zerkleinerte Drähte, heraus. Daher ist vorzugsweise eine Nass-Feinsieb-Vorrichtung vorgesehen, welche derart angeordnet und ausgelegt, dass die im Filter herausgefilterte Schwarzmasse und die weiteren festen Bestandteile eine Nass-Feinsiebung durchlaufen. Dazu hat vorzugsweise die Nass-Feinsiebung eine Sieblochung von 0,01 mm - 5 mm, vorzugsweise 0,1 mm - 1,0 mm, insbesondere vorzugsweise 0,05 mm- 0,5 mm. Die derart gewonnene Schwarzmasse erhält durch die Nass-Feinsiebung größere Reinheitsgrade als bei einer üblichen Trockensiebung. Ferner entstehen keine krebserzeugenden Stäube.

[0035] Schließlich kann ein mechanischer, thermischer oder andersartiger Trockner zur Trocknung der Schwarzmasse vorgesehen werden, welcher derart angeordnet und ausgelegt ist, dass die in dem Filter bzw. Sieb, vorzugsweise in der Nass-Feinsieb-Vorrichtung, herausgetrennte Schwarzmasse getrocknet werden kann.

[0036] Vorzugsweise kann das Spülwasser im Kreislauf zwischen Friktionswäscher, Filter und Nass-Sieb zirkulieren.

[0037] Im Folgenden wird die Erfindung beispielartig erläutert:

Fig. 1 zeigt eine technische Zeichnung der erfindungsgemäßen Anlage zum Zerkleinern von Batteriezellen.

Fig. 2 zeigt eine technische Zeichnung einer nachgelagerten Einrichtung zum Trennen der verschiedenen Bestandteile der mit der erfindungsgemäßen Anlage zerkleinerten Batterien.

[0038] Fig. 1 zeigt eine technische Zeichnung der erfindungsgemäßen Anlage zum Zerkleinern von Batteriezellen. Vereinzelte Batteriezellen werden über eine Beschickungseinrichtung 6 mit Mengensteuerung mit einer ersten Wäge Einrichtung 61 einer als Förderband ausgebildeten Zuführeinrichtung 2 zugeführt, so dass die zugeführte Masse an Batteriezellen kontrolliert und gesteuert werden kann.

[0039] Ein gemeinsames Gehäuse 3 umschließt zumindest den Teil 21 der Zuführeinrichtung, welcher der Zerkleinerungseinrichtung 1 zugewandt ist sowie die Zerkleinerungseinrichtung 1. Die Zuführeinrichtung 2 führt die Batteriezellen der Zerkleinerungseinrichtung 1 zu, mit einer definierten Zuführgeschwindigkeit, derart, dass die Zerkleinerungseinrichtung die zugeführten Batteriezellen unmittelbar mit der definierten Zuführgeschwindigkeit zerkleinert. Es liegt dabei eine Zwangszuführung der Zellen vor, die hier angedeutet ist durch vertikale Erhebungen auf der Oberseite des Förderbandes 2, welche an die Größe der Batteriezellen angepasste Fächer für die Batteriezellen - welche beispielhaft als schwarzes Rechteck eingezeichnet ist - darstellen. Dadurch werden die Batteriezellen in geometrisch definierter Ausrichtung zugeführt mit der Geschwindigkeit der Zuführeinrichtung. Zweckmäßigerweise können dabei auch - nicht dargestellte - weitere Zwangszuführungsmittel zum Einsatz kommen, z.B. von oben wirkende Anpressrollen, Führungsbleche, welche die Batteriezellen auf dem Förderband 2 fixieren in dem Bereich, in welchen die Zerkleinerungseinrichtung 1 auf die Batteriezellen einwirkt. Die Zerkleinerungseinrichtung 1 selber ist derart ausgelegt, dass sie die Batteriezellen zerspanend zerkleinert und ist daher als Einwellenfräse ausgebildet ist.

[0040] Das Gehäuse 3 weist einen Eingang 31 auf, durch welchen sich die Zuführeinrichtung 2 erstreckt und über welchen die Batterien in das Innere 39 des Gehäuses gelangen.

[0041] Unterhalb der Zerkleinerungseinrichtung 1 weist das Gehäuse 3 einen Ausgang 35 auf, über welchen die zerkleinerten Batterien, also das Mahlgut, das Gehäuse 3 verlassen. Im Bereich des Eingangs 31 sind Einschleusungsmittel 32 und im Bereich des Ausgangs 35 Ausschleusungsmittel 36 vorgesehen, die geeignet sind einen im Inneren des Gehäuses durch entzündete Batteriezellen verursachten Brand im Inneren 39 des Gehäuses 3 zu halten. Dazu sind als Einschleusungsmittel 32 brandhemmende Vorhänge zwischen der Decke des Gehäuses und der Oberfläche der Zuführeinrichtung vorgesehen sowie als Ausschleusungsmittel 36 Portionierer, hier in Form einer Zellradschleuse.

[0042] Das Mahlgut gelangt von dort auf eine zweite Wäge Einrichtung 7 zum Ermitteln des Massenstroms an Batteriezellen, welcher aus dem Gehäuse 3 ausgeschleust wird, sodass die Steuerung 4 durch Bilanzierung des in das Gehäuse eingeschleusten und aus dem Gehäuse ausgeschleusten Massenstroms an Batteriezellen die im Gehäuse befindliche Menge an Batteriezellen errechnen kann. Die Steuerung 4 sorgt dafür, dass im Falle der Überschreitung eines Grenzwertes für die im Gehäuse maximal befindlichen Menge an Batteriezellen, die Beschickungseinrichtung 6 angehalten wird, optional auch die Zuführeinrichtung 2, und ferner optional auch die Zerkleinerungseinrichtung 1.

[0043] Somit zerkleinert die Anlage die Batteriezellen kontinuierlich und nicht batchweise.

[0044] In den Fig. ist zu erkennen, dass die Steuerung 4 insbesondere mit der Zuführeinrichtung 2 der Zerkleinerungseinrichtung 1, den Wäge Einrichtungen 61, 7 über Leitungen, welche gestrichelt dargestellt sind, verbunden ist und diese so steuert, dass eine festgelegte Masse und/oder Massenstrom an Batteriezellen im Inneren 39 des Gehäuses nicht überschritten wird.

[0045] Vorliegend sind ferner im Gehäuse 3 Sensoren 9 zum Detektieren von Bränden vorgesehen und mit der Steuerung 4 verbunden. Somit kann Zuführeinrichtung 2 und die Zerkleinerungseinrichtung 1 gestoppt werden und eine Brandlöscheinrichtung 5 zum Zuführen von brandhemmenden Gasen, beispielsweise Inertgas / CO2 aktiviert werden, sobald ein Brand detektiert wird.

[0046] Als weitere Vorsichtsmaßnahme gegen das Entstehen von Bränden ist hier auch eine Trockeneiszuführeinrichtung 8 vorgesehen, damit kontinuierlich Trockeneis den auf der Zuführeinrichtung befindlichen Batteriezellen im Bereich des Übergangs zwischen Zuführeinrichtung 2 und Zerkleinerungseinrichtung 1, zugeführt wird. Dieses kühlt und versprödet die Materialien der Batteriezellen, was das Zerkleinern begünstigt. Ferner wird der Innenraum des Gehäuses durch das verdampfende CO2 gespült wird.

[0047] Zusätzlich ist eine Inertgaszuführeinrichtung 5 vorgesehen, die Inertgas, z. B. N2, CO2, in den Innenraum des Gehäuses spült um den O2 Gehalt im Innenraum zu senken.

[0048] Fig. 2 erläutert die Behandlung der in Fig. 1 zerkleinerten Batteriezellen, also des Mahlgutes, welche über die Ausschleusungsmittel 36 und die zweite Wäge Einrichtung 7, dem Friktionswäscher 10 an seinem Fußpunkt 15 zugeführt werden über die Übergabestelle X:

[0049] Der Friktionswäscher 10 wäscht Schwarzmasse, andere feste Bestandteile sowie das Elektrolyt aus den zerkleinerten Batterien mittels Spülwasser Dazu weist der geneigt angeordnete Friktionsabscheider 10 zum Zu- und Abführen des Spülwassers mehrere über seine Länge verteilte und auf seiner Oberseite angeordnete Spülwasserzuführungen 11 auf und einen in seinem Bodenbereich auf seiner Unterseite angeordneten gelegenen Spülwasserabfluss 12 auf. Insbesondere die Schwarzmasse wird im Friktionswäscher durch das Spülwasser von gröberen oder leichteren festen Bestandteilen, insbesondere der Folienschnipsel getrennt. Eine Kammerfilterpresse 20 ist mit dem Spülwasserabfluss 12 verbunden, damit das abgeführte Spülwasser den Filter 20 durchströmt, um die Schwarzmasse und die noch vorhandenen weiteren festen Bestandteile herauszufiltern.

[0050] Ein nachgeschaltete und nicht eingezeichnete Nass-Feinsieb-Vorrichtung siebt die im Filter 20 herausgefilterte Schwarzmasse und die noch vorhandenen weiteren festen Bestandteile weiter, trennt unerwünscht große Partikel ab und erzeugt damit Schwarzmasse mit hoher Qualität.

[0051] Ebenfalls nicht eingezeichnet ist ein nachgelagerter Trockner zur Trocknung der Schwarzmasse.

Ansprüche

1. Anlage zum Zerkleinern von Batteriezellen, insbesondere Batterie- oder Akku-Pouches, mit

einer angetriebenen mechanischen Zerkleinerungseinrichtung (1),

einer Zuführeinrichtung (2) zum Zuführen der Batteriezellen zur Zerkleinerungseinrichtung (1) mit einer steuerbaren Zuführgeschwindigkeit, derart, dass die Zerkleinerungseinrichtung die zugeführten Batteriezellen unmittelbar mit der Zuführgeschwindigkeit zerkleinert,

einem Gehäuse (3), welches zumindest den Teil (21) der Zuführeinrichtung (2), welcher der Zerkleinerungseinrichtung (1) zugewandt ist und die Zerkleinerungseinrichtung (2) umschließt, wobei

das Gehäuse (3) einen Eingang (31) aufweist, über welchen die Batterien in das Innere (39) des Gehäuses gelangen können und

das Gehäuse (3) einen Ausgang (35) aufweist, über welchen die zerkleinerten Batterien das Gehäuse verlassen können,

wobei vorzugsweise im Bereich des Eingangs (31) Einschleusungsmittel (32) und im Bereich des Ausgangs (35) Ausschleusungsmittel (36) vorgesehen sind, die geeignet sind einen im Inneren des Gehäuses durch entzündete Batteriezellen verursachten Brand im Inneren (39) des Gehäuses (3) zu halten.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage derart ausgelegt ist, dass sie kontinuierlich und nicht batchweise arbeitet.

3. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (4) vorgesehen ist, welche die Geschwindigkeit der Zuführeinrichtung (2) und die Arbeitsgeschwindigkeit der Zerkleinerungseinrichtung (1) derart steuert, dass eine festgelegte Masse an Batteriezellen im Inneren (39) des Gehäuses nicht überschritten wird und/oder
eine Steuerung (4) vorgesehen ist, welche die Geschwindigkeit der Zuführeinrichtung (2) und die Arbeitsgeschwindigkeit der Zerkleinerungseinrichtung (1) derart steuert, dass ein festgelegter Massestrom von der Zerkleinerungsvorrichtung (1) zerkleinert werden kann.

4. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse Sensoren (9) zum Detektieren von Bränden vorgesehen sind, die derart mit der Steuerung (4) verbunden sind, dass die Zuführeinrichtung und/oder die Zerkleinerungseinrichtung gestoppt werden und/oder eine Brandlöscheinrichtung (5) zum Zuführen von brandhemmenden Gasen, beispielsweise Inertgas / CO2 aktiviert wird, sobald ein Brand detektiert wird.

5. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Einschleusungsmittel (32) brandhemmende Vorhänge zwischen der Decke des Gehäuses und der Oberfläche der Zuführeinrichtung vorgesehen sind und/oder
als Ausschleusungsmittel (36) Portionierer, beispielsweise eine Zellradschleuse vorgesehen, sind.

6. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinrichtung (2) Mittel zum erzwungenen Zuführen der Batteriezellen mit definierter Geschwindigkeit zur Zerkleinerungseinrichtung aufweist, wobei vorzugsweise die Mittel derart sind, dass die Batteriezellen in geometrisch definierter Ausrichtung zugeführt werden, insbesondere mit der Geschwindigkeit der Zuführeinrichtung.

7. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschickungseinrichtung (6) mit Mengensteuerung mit einer ersten Wäge Einrichtung (61) vorgesehen ist, derart, dass der Massenstrom an Batteriezellen, welcher der Zuführeinrichtung zugeführt wird, einen definierten Massestrombereich einhält,

wobei vorzugsweise eine zweite Wäge Einrichtung (7) hinter den Ausschleusungsmitteln (36) vorgesehen ist zum Ermitteln des Massenstroms an Batteriezellen, welcher aus dem Gehäuse (3) ausgeschleust wird, sodass die Steuerung (4) durch Bilanzierung des in das Gehäuse eingeschleusten und aus dem Gehäuse ausgeschleusten Massenstroms an Batteriezellen die im Gehäuse befindliche Menge an Batteriezellen errechnen kann,

wobei ferner vorzugsweise die Steuerung (4) derart ausgelegt ist, dass im Falle der Überschreitung eines Grenzwertes für die im Gehäuse maximal befindlichen Menge an Batteriezellen, die Beschickungseinrichtung (6) angehalten wird, optional auch die Zuführeinrichtung (2), und ferner optional auch die Zerkleinerungseinrichtung (1) und/oder eine Mengenermittlungs- und begrenzungseinrichtung (6,61,7) vorgesehen und mit der Steuerung (4) verbunden ist, die derart ausgebildet ist, dass die im Gehäuse befindliche Menge an Batteriezellen ermittelt wird und im Falle der Überschreitung eines Grenzwertes für die im Gehäuse maximal befindlichen Menge an Batteriezellen, die Beschickungseinrichtung (6) angehalten wird, optional auch die Zuführeinrichtung (2), und ferner optional auch die Zerkleinerungseinrichtung (1).

8. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsgeschwindigkeit der Zerkleinerungseinrichtung an die Geschwindigkeit der Zuführeinrichtung und/oder an den der Zerkleinerungseinrichtung zugeführten Massenstrom an Batteriezellen angepasst ist, derart, dass die Zerkleinerungseinrichtung im optimalen Betriebspunkt betrieben wird.

9. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zerkleinerungseinrichtung (1) derart ausgelegt ist, dass sie die Batteriezellen zerspanend zerkleinert und insbesondere nicht durch zerreißen oder zerquetschen, wobei vorzugsweise die Zerkleinerungseinrichtung (1) als Fräser, Fräswalzen oder Einwellenfräse ausgebildet ist, alle vorzugsweise mit HM- oder Keramik-Platten, vorzugsweise -Wendeplatten.

10. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trockeneiszuführeinrichtung (8) vorgesehen ist, derart, dass kontinuierlich Trockeneis den auf der Zuführeinrichtung befindlichen Batteriezellen, insbesondere im Bereich des Übergangs zwischen Zuführeinrichtung (2) und Zerkleinerungseinrichtung (1), zugeführt wird, derart, dass die Batteriezellen gekühlt werden, insbesondere während der Zerkleinerung, die Batteriezellen verspröden, und/oder der Innenraum des Gehäuses durch das verdampfende CO2 gespült wird um den O2 Gehalt im Innenraum (39) unter 10 vol%, vorzugsweise unter 5 vol% zu halten und/oder
eine Inertgaszuführeinrichtung (5) vorgesehen ist, derart, dass kontinuierlich Inertgas, z.B. N2, CO2, in den Innenraum des Gehäuses gespült wird um den O2 Gehalt im Innenraum unter 10 vol%, vorzugsweise unter 5 vol% zu halten.

11. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Friktionswäscher (10) vorgesehen ist, zum Auswaschen von Schwarzmasse, weiteren festen Bestandteilen und des Elektrolytes aus den zerkleinerten Batterien mittels Spülwasser (19), wobei der Friktionswäscher derart angeordnet und ausgelegt ist, dass die zerkleinerten Batterien von dem Ausgang (35) des Gehäuses (3), vorzugsweise von den Ausschleusungsmitteln (36), ferner vorzugsweise über die zweite Wäge Einrichtung (7), dem Friktionswäscher zugeführt werden können.

12. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Friktionsabscheider (10) zum Zu- und Abführen des Spülwassers eine Spülwasserzuführung (11) und einen Spülwasserabfluss (12) aufweist, wobei ein Filter (20) mit dem Spülwasserabfluss (12) verbunden ist, welcher derart angeordnet und ausgelegt ist, dass das abgeführte Spülwasser den Filter (20) durchströmt, wobei der Filter derart ausgelegt ist, dass die Schwarzmasse und die weiteren festen Bestandteile herausgefiltert werden können.

13. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nass-Feinsieb-Vorrichtung vorgesehen ist, welche derart angeordnet und ausgelegt ist, dass die im Filter (20) herausgefilterte Schwarzmasse und die weiteren festen Bestandteile eine Nass-Feinsiebung durchlaufen, um die Schwarzmasse abzutrennen, wobei vorzugsweise die Nass-Feinsiebvorrichtung eine Sieblochung von 0,01 mm - 5 mm, vorzugsweise 0,1 mm - 1,0 mm, insbesondere vorzugsweise 0,05 mm- 0,5 mm aufweist.

14. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mechanischer, thermischer oder andersartiger Trockner zur Trocknung der Schwarzmasse vorgesehen ist, derart angeordnet und ausgelegt, dass die in dem Filter (20), vorzugsweise in der Nass-Feinsieb-Vorrichtung herausgefilterte Schwarzmasse getrocknet werden kann

15. Verfahren zum Zerkleinern von Batteriezellen, insbesondere Batterie- oder Akku-Pouches zum Abtrennen von Schwarzmasse, mit folgenden Schritten in einem kontinuierlichen Prozess:

- Zwangszuführen von Batteriezellen mittels einer Zuführeinrichtung (2) zu einer angetriebenen mechanischen Zerkleinerungseinrichtung (1),

- Zerkleinern, insbesondere Zerspanen, der zugeführten Batteriezellen durch die Zerkleinerungseinrichtung (1), wobei die Zerkleinerungseinrichtung die zwangszugeführten Batteriezellen unmittelbar zerkleinert, wobei das Zerkleinern in einem Gehäuse (3), welches zumindest den Teil (21) der Zuführeinrichtung (2), welcher der Zerkleinerungseinrichtung (1) zugewandt ist und die Zerkleinerungseinrichtung (2) umschließt, wobei das Gehäuse Einschleusungsmittel (32) und Ausschleusungsmittel (36) aufweist, um einen im Inneren des Gehäuses durch entzündete Batteriezellen verursachten Brand im Inneren (39) des Gehäuses (3) zu halten;

- dabei vorzugsweise fortdauernd: Überwachung, ob ein Grenzwert für die im Gehäuse maximal befindlichen Menge an Batteriezellen überschritten wird und im Falle einer Überschreitung des Grenzwertes: Beendigung der Zuführung von Batteriezellen zu der Zuführeinrichtung (2), optional auch der Zuführeinrichtung (2), und ferner optional auch der Zerkleinerungseinrichtung (1);

- dabei vorzugsweise fortdauernd: Überwachen und Steuern der Arbeitsgeschwindigkeit der Zerkleinerungseinrichtung, und der Zuführeinrichtung, so dass der zugeführte Massenstrom an Batteriezellen einen Betrieb der Zerkleinerungseinrichtung im optimalen Betriebspunkt ermöglicht;

- Auswaschen, insbesondere mittels eines Friktionswäschers (10), von Schwarzmasse, weiteren festen Bestandteilen und des Elektrolytes aus den in den vorherigen Schritten zerkleinerten Batterien mittels Spülwasser (19);

- Filtern des Spülwassers mit der Schwarzmasse, den weiteren festen Bestandteilen und des Elektrolytes, um die Schwarzmasse und die weiteren festen Bestandteilen herauszufiltern, insbesondere mittels eines Filters, vorzugsweise einer Kammerfilterpresse;

- Nass-Feinsieben der im Filter (20) herausgefilterte Schwarzmasse und der weiteren festen Bestandteilen, um die Schwarzmasse herauszusieben, insbesondere mittels Nass-Feinsiebvorrichtung mit einer Sieblochung von 0,01 mm - 5 mm, vorzugsweise 0,05 mm - 1,0 mm, insbesondere vorzugsweise 0,1 mm- 0,5 mm;

- Optional: Trocknen der herausgefilterten und herausgesiebten Schwarzmasse.

Zeichnung