Projekt LithoRec Recycling von Lithium-Ionen-Akkus

Ergebnisse

Zur Bewertung der neu entwickelten Verfahren wurden die Produkte und Ausbeuten der einzelnen Prozessschritte analysiert und außerdem das elektrochemische Verhalten der gefertigten Recycling-Elektroden kontrolliert. Die Betrachtung der Aluminiumverunreinigung in den Aufbereitungsprodukten war dabei von besonderer Bedeutung: Bei der maschinellen Zerlegung, insbesondere der Zerkleinerung der Batteriesysteme, -zellen und -elektroden, treten - abhängig vom Aufbereitungsverfahren – Verunreinigungen in den zurückgewonnenen Aktivmaterialien auf, die Probleme bei der Synthese neuer Aktivmaterialien bereiten können.

Es zeigten sich in LithoRec bei der Synthese von Lithiumnickelkobaltoxid aus gezielt mit einer nennenswerten Menge an Aluminium (1 Gew.-% Aluminium) verunreinigten Lösung Prozessschwierigkeiten: So wurde ausgemacht, dass hohe Verunreinigungen aus Aluminium die Re-Synthese und Formgebung der hochanspruchsvollen Batterie-Aktivmaterialien stören. Der entwickelte Recycling-Prozess bleibt jedoch unter den als relevant identifizierten Konzentrationen [19, 20].

Zur Bewertung der Recycling-Materialien wurden Testzellen gefertigt, die anschließend elektrochemischen Tests unterzogen wurden. Bild 5 zeigt die elektrochemische Energiespeicherkapazität der Testzellen über der Anzahl der Lade-und Entladezyklen. Es wird deutlich, dass das Referenzmaterial und das gering verunreinigte Recycling-Material näherungsweise die gleiche Kapazität Zyklenstabilität aufweisen. Bei dem künstlich stärker mit 1 Gew.-% Aluminium verunreinigten Material zeigt sich eine reduzierte Stromspeicher-Kapazität und vor allem eine deutlich schlechtere Zyklenstabilität.

Erste ökologische Bewertungen geben einen Überblick über die vollständige Prozesskette (¬Cradle-to-grave) mit Fokus auf Lithium-Ionen-Akkus [16, 17]. Im Rahmen der beiden abgeschlossenen BMU-geförderten Projekte LIBRI und LithoRec wurden die Recycling-Technologien für Lithium-Ionen-Akkus ökologisch bewertet [15]. Des Weiteren konnte die potenzielle Wirtschaftlichkeit des Recyclings großer Mengen Altbatterien in LithoRec nachgewiesen werden [18, 19].

Schlussfolgerungen

Im Rahmen des vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit durchgeführten Forschungsprojektes „LithoRec“ konnte gezeigt werden, dass das Recycling von Lithium-Ionen-Akkus auf Basis von mechanischen und hydrometallurgischen Prozessen technisch mit hoher Ausbeute und Reinheit möglich und ökologisch wie auch ökonomisch sinnvoll ist. Je mehr die Übergangsmetalle Kobalt und Nickel durch andere Materialien bei den Batterieaktivmaterialien ersetzt werden, desto interessanter wird diese Alternative zur im Wesentlichen pyrometallurgischen Aufbereitung. Der Grund ist, dass beim pyrometallurgischen Verfahren das Lithium und das Aluminium nicht zurückgewonnen werden können und somit als Einnahmequelle wegfallen.

Sehr wichtig für die Nutzung des zurück gewonnenen Lithiumsalzes und der Übergangsmetalllösung als Rohstoff für die Herstellung von neuem Aktivmaterial ist, dass die Verunreinigung mit Aluminium sehr klein gehalten wird. Unter dieser Voraussetzung können aus den zurück gewonnenen Metallen Batteriematerialien synthetisiert werden, die auf Basis von ersten Tests die gleichen Eigenschaften, insbesondere zyklische Lebensdauer, wie Standard-Batteriematerialien aus primären Rohstoffen aufweisen.

Die Autoren danken dem Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit für die Förderung des Forschungsprojektes „LithoRec“, dem Projektträger VDI/VDE-IT für die besonders gute Zusammenarbeit und den Projektpartnern Chemetall (jetzt Rockwood Lithium), Audi, VW, Electrocycling, Recylex, Evonik, H.C. Starck, Lars Walch, Südchemie sowie I+ME Actia, WWU Münster und TU Braunschweig für die gute Zusammenarbeit.