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Recycling von Lithium-Ionen-Akkus

16. Mai 2014, 15:18 Uhr | C. Hanisch, W. Haselrieder, A. Kwade

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

LithoRec – ein Ansatz zum Recycling mit hoher Lithium-Rückgewinnung

Traktionsbatterien für automobile Anwendungen lassen sich in mehrere Systemebenen gliedern und somit auch auf verschiedenen Ebenen demontieren, wie in Bild 3 dargestellt:

Das aus dem Automobil ausgebaute Batteriesystem muss zunächst in seine Module und Einzelzellen zerlegt werden. Zur Planung der Demontage der Batteriesysteme auf Batteriezellebene gehörten bei LithoRec neben der reinen Systemplanung [9, 10] auch erste Untersuchungen, wie weit sich die Demontageschritte automatisieren lassen [11]. Dafür wurde u.a. der Prototyp eines Greifersystems zur Entnahme von Batteriezellen entwickelt [12, 13], mit dem gleichzeitig eine Zustandsprüfung des Batteriesystems, also Spannungs- und Innenwiderstandsmessung, durchgeführt werden kann.

Eine durchgängige Automatisierung von Demontagesequenzen von Batteriesystemen ist aber nur schwer realisierbar, da die Umgebungsbedingungen wie etwa Staub schwierig für automatische Systeme sind und vor allem, da die Variantenvielfalt der Batteriesysteme extrem groß ist. Schon eine unterschiedliche Verschraubung zweier Akkupacks kann den automatisierten Prozess aufhalten. Daher ist der manuelle Aufwand beim Recycling vergleichsweise hoch. Am Ende der Demontage stehen dann die einzelnen Batteriemodule oder meistens die einzelnen Zellen. Im Anschluss müssen die Batteriezellen mechanisch in Zerkleinerungsprozessen (Shredder) aufgeschlossen werden, um in der Folge mit aufbereitungstechnischen Verfahren in die Fraktionen Zellhülle/Gehäusematerial (10 – 15 %), Elektrolyt (10 – 20 %), weitere Bauteile (2 – 5 %), Separator/Folien (ca. 3 %) und Elektroden (ca. 65 %) aufgeteilt zu werden.

Eine Herausforderung bei diesem Aufbereitungsschritt stellt der Elektrolyt dar, der sich durch Kurzschlüsse, die beim Zerkleinern von nicht ausreichend entladenen Zellen entstehen, schnell entzünden kann. Neben einer sicheren vollständigen Entladung ist daher auch eine sauerstoff- und wasserarme Atmosphäre im Inneren des Shredders notwendig, um eine sichere Zerkleinerung der Zellen zu gewährleisten.

Die Elektroden setzen sich aus den Anoden- und Kathodenverbünden zusammen. Sie bestehen zu 15 % aus Kupferfolie und 31 % aus der organischen Beschichtung der Anode (Graphite und Ruße) sowie zu 8 % aus der Aluminumfolie und den 46 % aus der Aktivmaterial-Beschichtung der Kathode. Zur weiteren hydrometallurgischen Aufarbeitung des Aktivmaterials müssen diese Verbünde voneinander getrennt werden (Bild 4). Zur Elektrodenseparation wurden zwei alternative oder kombinierbare Prozesse entwickelt: Einerseits ein nasschemischer Prozess und andererseits ein mechanischer Prozess.

Der Ansatz des nasschemischen Prozesses war die Auflösung des Polyvinylidenfluorid-Binders im Lösemittel N-Methyl-2-pyrrolidon. Dieser Binder ist vereinfacht ausgedrückt eine Art Klebstoff, der die Metalloxide und die weiteren Bestandteile einer Elektrode zusammenhält. Nach der Auflösung des Binders konnte die Aktivmaterial-Beschichtung von den Folien getrennt werden. Bei diesem Prozess konnten 96 % des eingetragenen Aktivmaterials separiert werden, was sich in Prozessen mit kreislaufgeführtem Lösungsmittel noch optimieren lässt [14]. Die Verunreinigung der Aktivmaterialfraktion mit Aluminium aus den Folienfragmenten konnte mittels Atomabsorptionsspektroskopie auf unter 0,1 Gew.-% bestimmt werden. Jedoch ist dieses Verfahren aufgrund des Lösungsmitteleinsatzes aufwendig.

Das parallel entwickelte und zum Patent angemeldete trockene Separationsverfahren ist eine Kombination aus Materialvorbehandlung, mechanischer Beanspruchung, Sortierung und Klassierung. Im Labormaßstab konnte über 99 % des Aktivmaterials von den Folien getrennt werden, bei einer Aluminium-Kontamination des zurückgewonnenen Lithium-Salzes von unter 0,1 Gew.-%.

Zur hydrometallurgischen Aufbereitung der separierten Beschichtungspulver aus Lithium-Ionen-Batterien wurde von der Firma Chemetall (jetzt Rockwood Lithium GmbH) in LithoRec eine Pilotanlage am Standort Langelsheim realisiert. Je nach Aktivmaterial können hier 85 Prozent bis über 95 % des Lithiums aus dem separierten Kathodenmaterial zurückgewonnen werden. Diese Ausbeute ist deutlich höher als bei den klassischen pyrometallurgischen Verfahren.
Die Übergangsmetalle Kobalt, Nickel und Mangan wurden innerhalb des Projektes LithoRec als aufkonzentrierte Lösungen an die Firma H.C. Starck geliefert, welche daraus versuchsweise durch Fällungs-, Mahl- und Kalzinierprozesse wieder Batterieaktivmaterialien herstellte. Ökologische und ökonomische Bilanzen auf Basis der im Labor- oder Technikumsmaßstab durchgeführten Untersuchungen zeigten positive Ergebnisse [15].