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LithoRec – Recycling von Lithium-Ionen-Batterien

Bearbeiter: Christian Hanisch, Stephan Olliges, Ann-Christin Bartölke

In dem Projekt „LithoRec“ wurden durch ein Konsortium der Wirtschaftspartner AUDI, Chemetall, Electrocycling, Evonik Litarion, Lars Walch, H.C. Starck, I*ME ACTIA, Recyclex, Süd-Chemie und Volkswagen sowie von 6 Institutionen der TU Braunschweig (NFF, iPAT, IWF, elenia, IKT, AIP) und dem Institut für Physikalische Chemie der WWU Münster mehrere Verfahrenswege zum Recycling von Lithium-Ionen-Batterien aus Traktionsbatterien evaluiert. Die Planung der Demontage der Batteriesysteme in LithoRec umfasste neben der reinen Systemplanung auch erste Untersuchungen der Automatisierbarkeit der Demontageschritte, u. a. mit der prototypischen Realisierung eines Greifersystems zur Entnahme von Batteriezellen. Prozesse für das Zerlegen der Zellen und das Abtrennen der Aktivmaterialien von den Metallfolien wurden im Labor sowie hinsichtlich des Schredderns der Zellen auch im Technikumsmaßstab etabliert und untersucht. Zur hydrometallurgischen Aufbereitung separierter Beschichtungspulver aus Lithium-Ionen-Batterien wurde von der Chemetall GmbH (jetzt Rockwood Lithium GmbH) in LithoRec eine Pilotanlage realisiert. Ökologische und ökonomische Bilanzen auf Basis der im Labor- oder Technikumsmaßstab durchgeführten Untersuchungen zeigten positive Ergebnisse. Zur Auftrennung der Batteriesysteme bis auf die Ebene des eingesetzten kathodischen Aktivmaterialpulvers wurde ein schlüssiges Konzept entwickelt, das in Laborapparaturen sehr gute Ergebnisse zeigte, dessen Realisierung in Form einer Batterie-Aufbereitungsanlage im Pilotmaßstab jedoch noch aussteht.

Die meisten konventionellen Verfahren zum Batterierecycling fokussieren auf die Rückgewinnung der Wertmetalle Kobalt und Nickel durch ein im Wesentlichen pyrometallurgisches Verfahren, das zur Rückgewinnung des Lithiums mit hydrometallurgischen Verfahren kombiniert werden muss. Die Rückgewinnung eines signifikanten Anteils an Lithium ist mit diesen Verfahren nur mit extrem hohem Aufwand möglich. In LithoRec konnte hingegen von iPAT, Chemetall und Electrocycling ein Verfahren entwickelt werden, in welchem auf mechanischem und hydrometallurgischem Wege (Auslaugen und anschließendes Ausfällen des Lithiums) je nach Aktivmaterial 85 bis über 95%* des Lithiums wiedergewonnen werden kann. Ein weiterer Vorteil des „LithoRec-Prozesses“ ist, dass die zurückgewonnenen Materialien bei mechanischer Aufbereitung im Labormaßstab nachgewiesenermaßen Batteriequalität aufweisen und somit ein geschlossener Kreislauf der strategisch wichtigen Batterierohstoffe erfolgt. So wurde von Chemetall aus Lithiumeisenphosphat Lithiumhydroxid gefällt und von H.C. Starck aus Lithiumnickelmangankobaltoxid (NCM) wieder neues NCM in Batteriequalität hergestellt.

Die Automatisierung der Demontage von Lithium-Ionen-Batteriesystemen wurde ebenfalls in LithoRec theoretisch untersucht. Es konnte hierbei gezeigt werden, dass einzelne dedizierte Demontageschritte wie z. B. die Entnahme der Batteriezellen ein ausgeprägtes Automatisierungspotenzial aufweisen. Ferner wurde beispielhaft ein Greifer zur Zellhandhabung mit integrierter Zustandsbestimmung (Spannungsmessung und Innenwiderstandsbestimmung) entwickelt. Eine durchgängige Automatisierung von Demontagesequenzen von Batteriesystemen ist jedoch aufgrund der Umgebungsbedingungen in Demontagefabriken, der Variantenvielfalt bzw. fehlender Standardisierung der Systeme und der Qualifikationsvoraussetzungen wahrscheinlich nicht realisierbar.
Das iPAT war in LithoRec besonders bei der Separation der kostbaren Aktivmaterialien aus den Batteriezellen sowie der Analyse der Alterungserscheinungen beteiligt und hatte die technische und wissenschaftliche Projektleitung.
Bei der maschinellen Zerlegung, insbesondere der Zerkleinerung von Batteriesystemen, -zellen und -elektroden, treten – abhängig vom Aufbereitungsverfahren – Verunreinigungen in den zurückgewonnenen Aktivmaterialien auf, die Probleme bei der Synthese neuer Aktivmaterialien bereiten können. So zeigten sich in LithoRec bei der Synthese von Lithiumnickelmangankobaltoxid aus gezielt mit nennenswerten Mengen von Aluminium verunreinigten Lösungen Prozessschwierigkeiten.

Erste ökologische Bewertungen geben einen Überblick über die vollständige Prozesskette (Cradle-to-grave) mit Fokus auf Lithium-Ionen Batterien. Im Rahmen der beiden gerade abgeschlossenen BMU-geförderten Projekte LIBRI und LithoRec wurden die Recyclingtechnologien für Lithium-Ionen-Batterien ökologisch bewertet. Des Weiteren konnte die potentielle Wirtschaftlichkeit des Recyclings großer Mengen Altbatterien in LithoRec  nachgewiesen werden.
Für weitere Informationen siehe www.lithorec.de . Den Abschlussbericht des Projektes finden Sie hier


AG – Mitarbeiter

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