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In Zukunft wird mit einem enormen Anstieg von Lithium-Ionen-Akkus gerechnet, die zu recyceln sind. Aktuell werden noch primär Blei-Säure-Batterien gesammelt, der Anstieg der gemeldeten Mengen seit 2018 ist jedoch hauptsächlich auf die Lithium-Ionen-Batterien zurückzuführen, die aktuell der Kategorie „Sonstige Batterien“ zugeordnet sind.
© VDI ZRE (in Anlehnung an ZVEI - Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e. V. (2021): Faktenblatt zu Recycling von Batterien. ZVEI - Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e. V. und Umweltbundesamt (2021): Altbatterien [online].)
Insbesondere für Lithium-Ionen-Batterien werden neue Recyclingkapazitäten notwendig sein. Es wird geschätzt, dass sich in Europa bis zum Jahr 2030 das Marktvolumen von Lithium-Ionen-Batterien um den Faktor 10 vergrößern wird.*
Neef, C.; Schmaltz, T. und Thielmann, A. (2021): Recycling von Lithium-Ionen-Batterien: Chancen und Herausforderungen für den Maschinen- und Anlagenbau – Kurzstudie im Auftrag der IMPULS-Stiftung. Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI, Karlsruhe (abgerufen am: 03.11.2022)
Die Frage nach der Hochskalierung der Recyclingkapazitäten von Industriebatterien in Deutschland, insbesondere für Lithium-Ionen-Batterien, wurde mit Experten und Expertinnen aus dem Batteriemarkt in einem Fachgespräch erörtert.
Die Recyclingeffizienzen geben das Verhältnis von Input (Masse der Altbatterien, die einem Recyclingverfahren zugeführt wurden) zum Output (Masse der zurückgewonnenen Sekundärrohstoffe) wieder. Für alle Altbatterie-Kategorien konnten im Jahr 2020 Recyclingeffizienzen von bis zu über 80 Prozent erreicht werden. Dies entspricht einer Masse von ca. 146.500 Tonnen, die im Jahr 2020 als Sekundärrohstoffe u. a. für die erneute Batterieproduktion wiedergewonnen werden konnten. Im Folgenden wird aufgrund der Aktualität insbesondere auf die Recyclingrouten für Lithium-Ionen-Akkus Bezug genommen, wobei die einzelnen Verfahrensschritte in unterschiedlicher Weise angeordnet sein können.
Deaktivierung und Demontage:
Eine Demontage von Lithium-Ionen-Akkus erfolgt derzeit noch händisch. Jedoch ist aufgrund der Zunahme von bspw. Cellpacks davon auszugehen, dass entweder halb- bzw. vollautomatisierte Demontageanlagen bzw. eine gänzliche Zufuhr in Schredderlinien eine übergeordnetere Rolle spielen werden.*
VDI Zentrum Ressourceneffizienz (2022): Fachgespräch Innovative Recyclingtechnologien für Industriebatterien (abgerufen am 06.02.2023)
Mechanische Aufbereitung:
In der mechanischen Aufbereitung findet eine Zerkleinerung unter Vakuum, Schutzgasatmosphäre (Ar/N2/CO2), in flüssigem Stickstoff oder in Wasser-Salz-Lösung statt, um ein Entweichen der hochreaktiven Inhaltsstoffe der Batterien zu verhindern. Über eine Vakuum-Destillation und einen Trockenschritt wird die Elektrolytlösung für eine Weiterverwendung vorbereitet. Anschließend werden metallische Bestandteile, darunter Stahl, Kupfer Aluminium, und ein Gemisch aus Elektrodenmaterialien, Bindern, Additiven und Restbestandteilen des Elektrolyts (Schwarzmasse) separiert.*
Neef, C.; Schmaltz, T. und Thielmann, A. (2021): Recycling von Lithium-Ionen-Batterien: Chancen und Herausforderungen für den Maschinen- und Anlagenbau – Kurzstudie im Auftrag der IMPULS-Stiftung. Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI, Karlsruhe (abgerufen am: 03.11.2022)
Pyrometallurgische Prozesse:
Die Lithium-Ionen-Batterien durchlaufen in einem Schmelzaggregat verschiedene Temperaturbereiche, sodass die organischen Bestandteile verdampfen und die Metallverbindungen aufgeschmolzen werden. So werden die Kobalt-, Nickel- und Eisen-Verbindungen zu Metallen reduziert. Organische Bestandteile und das Graphit werden oxidiert und liefern thermische Energie für den Prozess, gehen jedoch als Wertstoffe verloren. Manganverbindungen, Lithium und Aluminium enden in der Schlacke und Kupfer, Kobalt, Nickel und Eisen bilden eine Legierung. Diese Wertstoffe können in einem anschließenden hydrometallurgischen Prozess zurückgewonnen werden.*
Neef, C.; Schmaltz, T. und Thielmann, A. (2021): Recycling von Lithium-Ionen-Batterien: Chancen und Herausforderungen für den Maschinen- und Anlagenbau – Kurzstudie im Auftrag der IMPULS-Stiftung. Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI, Karlsruhe (abgerufen am: 03.11.2022)
Hydrometallurgische Prozesse:
Über den nasschemischen Prozess werden die Stoffgemische, stammend aus der Pyrometallurgie oder der mechanischen Aufbereitung, aufgetrennt. Entweder werden Kupfer, Nickel und Kobalt separiert oder die Schwarzmasse wird aufbereitet. Dies kann entweder die hydrometallurgische Trennung von Kupfer, Nickel und Kobalt nach der Pyrometallurgie oder die Aufbereitung der Schwarzmasse sein. Der hydrometallurgische Prozess benötigt geringere Temperaturen und damit weniger Energie im Vergleich zum pyrometallurgischen Prozess, der zusätzlich einer Abgasreinigung bedarf. Jedoch ist eine Abwasserreinigung erforderlich.*
Neef, C.; Schmaltz, T. und Thielmann, A. (2021): Recycling von Lithium-Ionen-Batterien: Chancen und Herausforderungen für den Maschinen- und Anlagenbau – Kurzstudie im Auftrag der IMPULS-Stiftung. Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI, Karlsruhe (abgerufen am: 03.11.2022)
Das großangelegte Forschungsprojekt zielt auf die Untersuchung eines kontrollierten, energieneutralen Pyrolyseprozesses und einer anschließenden hydromechanischen Trennung der beinhalteten Sekundärrohstoffe ab. So soll Lithium zurückgewonnen und das wiedergewinnbare Graphit überprüft werden. Ziel ist es, eine Recyclingquote von über 70 Prozent zu erreichen. Das Projekt baut dabei auf den Ergebnissen und Erkenntnissen des Vorgängerprojektes „Demonstrationsanlage für ein kostenneutrales, ressourceneffizientes Processing ausgedienter Li-Ion-Batterien der Elektromobilität (EcoBatRec)“ auf, das u. a. eine autotherme Vakuumpyrolyse für Verfahrensabläufe zur Zerkleinerung, Klassierung, Sichtung und Trennung der Materialfraktionen entwickelte.
Quellen:
Mercator – Forschungsprojekt (2021): Materialeffizientes Recycling für die Circular Economy von Automobilspeichern durch Technologie ohne Reststoffe (online). ACCUREC-Recycling GmbH (abgerufen am: 28.10.2022), verfügbar unter: mercator-recycling.de
Erneuerbar mobil (2022): EcoBatRec (online) – Demonstrationsanlage für ein kostenneutrales, ressourceneffizientes Processing ausgedienter Li-Ion Batterien der Elektromobilität. Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz, 24.10.2022 (abgerufen am: 28.10.2022), verfügbar unter: www.erneuerbar-mobil.de/projekte/ecobatrec
Das Unternehmen Duesenfeld GmbH betreibt ein patentiertes Verfahren, das eine stoffliche Verwertungsquote von rund 91 Prozent erreicht. Der Prozess baut auf den Ergebnissen und Erkenntnissen der Forschungsprojekte Lithorec I und Lithorec II auf und wurde als Spin-off in die Praxis überführt. Der Prozess beginnt mit einer Tiefenentladung. Der rückgewonnene Strom wird zum Betrieb der Prozessmaschinen eingesetzt und ins Stromnetz eingespeist. Es erfolgt nach entsprechender Lagerungszeit eine spannungsfreie Demontage, wobei bereits sortenreine Fraktionen wie Aluminium und Kupfer aussortiert werden. Die Zerkleinerung findet unter Inertgas (N2) statt und die Vakuumtrockung erfolgt im Niedertemperaturverfahren bei maximal 50 °C. Dadurch entstehen keine Fluorwasserstoffe und eine energieintensive Gaswäsche wird vermieden. Die getrockneten Batteriefragmente können folgend durch verschiedene Trennmechanismen zurückgewonnen werden. Dazu zählen Aluminium, Kupfer, Eisen, Kunststofffolie sowie die Schwarzmasse. Abschließend wird aktuell im Pilotmaßstab ein hydrometallurgischer Prozess betrieben, der als Endprodukte Nickelsulfat (NiSO4), Kobaltsulfat (CoSO4), Mangansulfat (MnSO4), Lithiumcarbonat (Li2CO3) und Graphit in Batteriequalität produziert. Das Verfahren kann alle Typen von Lithium-Ionen-Batterien wirtschaftlich recyceln und verarbeitet rund 500 Kilogramm pro Stunde an Material. Weitere Forschung sowie die Hochskalierung des Hydrometallurgieprozesses sind aktuell in Arbeit.
Quelle:
Duesenfeld GmbH (2022): Lizenzierung der Duesenfeld Patente (online). Duesenfeld GmbH (abgerufen am: 28.10.2022), verfügbar unter: www.duesenfeld.com/lizenzierung.html
Am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) wurde die Rückgewinnung von Graphit aus Altbatterien untersucht. Dazu wurde ein Konzept entwickelt, das die Methode der Schaumflotation anwendet. Dies ist ein bereits etablierter Prozess für die Mineralienabtrennung von taubem Gestein. Trennmerkmale für die Schaumflotation sind Partikel- und Oberflächeneigenschaften wie Morphologie und Größe. Da der Prozess über die selektive Hydrophobierung erfolgt, können so die Mineralien über ihre wasserabweisende Eigenschaft und Fähigkeit der Anhaftung an Gasblasen über den Schaum ausgetragen werden.
Quelle:
Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf e. V. (2021): Wenn Batterien zu Schaum werden (online) – HZDR-Doktorandin mit Konzept zum verbesserten Batterie-Recycling beim Falling Walls Wettbewerb. Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf e. V. (abgerufen am: 31.10.2022), verfügbar unter: www.hzdr.de/db/Cms
Nach den Trennprozessen liegen die Materialien der Lithium-Ionen-Batterien als Bruchstücke vor. Das Projekt entwickelt eine Messtechnik, die die Eigenschaften des Schredderguts für jedes Bruchstück online und inline erfassen soll. In Kombination mit Bilddaten (spektroskopische bzw. hyperspektrale Informationen) werden große Datensätze gewonnen. Diese sollen über das maschinelle Lernen so verarbeitet werden, dass ingenieurtechnische Zusammenhänge über die Partikelart und -form sowie die Zusammensetzung gezogen werden können. Die zu entwickelnde Mess- und Regelungstechnik soll entlang der gesamten Recyclingkette zur Qualitätsüberwachung und Datenakquise angewandt werden.
Quelle:
greenBatt (2021a): DIGISORT - Digitalisierung mechanischer Sortierprozesse (online). Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS, 28.04.2021 (abgerufen am: 31.10.2022), verfügbar unter: www.greenbatt-cluster.de/de/projekte/digisort/
Die Studie zeigt auf, dass über eine hydrothermale Reaktion in einer Lithium-haltigen Lösung eine degradierte Lithium-Mangan-Oxid-Kathode regeneriert werden kann. Über das Verfahren ist es möglich, die Stöchiometrie und die Mikrophasenreinheit des Kathodenmaterials wiederherzustellen und diese für einen erneuten Einsatz in der Batteriefertigung einzusetzen. Im Rahmen einer Lebenszyklusanalyse konnte nachgewiesen werden, dass diese einstufige Regeneration gegenüber pyro- und hydrometallurgischen Prozessen ökologische und wirtschaftliche Vorteile bietet.
Quelle:
Gao, H.; Yan, Q.; Xu, P.; Liu, H.; Li, M.; Liu, P.; Luo, J. und Chen, Z. (2020): Efficient Direct Recycling of Degraded LiMn2O4 Cathodes by One-Step Hydrothermal Relithiation. In: ACS applied materials & interfaces, 12 (46), S. 51546 – 51554. ACS applied materials & interfaces. doi:10.1021/acsami.0c15704
Das Projekt entwickelt eine Methode zur Messung niedrig- sowie hochsiedender Bestandteile des Elektrolyten. Durch die Möglichkeit dieser Prozessüberwachung bzw. Datenerhebung können Erkenntnisse über den Verbleib im Verfahrensprozess generiert werden. Die darauf aufbauende Prozessstrategie, die im Labor- und Pilotmaßstab umgesetzt werden soll, zielt auf die Rückgewinnung aller Bestandteile des Elektrolyten ab. Abschließend soll über die Ergebnisse der notwendige prozesstechnische Aufwand zur Abtrennung des Elektrolyten bestimmt werden.
Quelle:
greenBatt (2021e): LOWVOLMON - Monitoring schwerflüchtiger Elektrolyte in der mechanischen Recyclingprozesskette (online). Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS, 14.07.2021 (abgerufen am: 31.10.2022), verfügbar unter: www.greenbatt-cluster.de/de/projekte/lowvolmon/
Das großangelegte Forschungsprojekt zielt auf die Untersuchung eines kontrollierten, energieneutralen Pyrolyseprozesses und einer anschließenden hydromechanischen Trennung der beinhalteten Sekundärrohstoffe ab. So soll Lithium zurückgewonnen und das wiedergewinnbare Graphit überprüft werden. Ziel ist es, eine Recyclingquote von über 70 Prozent zu erreichen. Das Projekt baut dabei auf den Ergebnissen und Erkenntnissen des Vorgängerprojektes „Demonstrationsanlage für ein kostenneutrales, ressourceneffizientes Processing ausgedienter Li-Ion-Batterien der Elektromobilität (EcoBatRec)“ auf, das u. a. eine autotherme Vakuumpyrolyse für Verfahrensabläufe zur Zerkleinerung, Klassierung, Sichtung und Trennung der Materialfraktionen entwickelte.
Quellen:
Mercator – Forschungsprojekt (2021): Materialeffizientes Recycling für die Circular Economy von Automobilspeichern durch Technologie ohne Reststoffe (online). ACCUREC-Recycling GmbH (abgerufen am: 28.10.2022), verfügbar unter: mercator-recycling.de
Erneuerbar mobil (2022): EcoBatRec (online) – Demonstrationsanlage für ein kostenneutrales, ressourceneffizientes Processing ausgedienter Li-Ion Batterien der Elektromobilität. Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz, 24.10.2022 (abgerufen am: 28.10.2022), verfügbar unter: www.erneuerbar-mobil.de/projekte/ecobatrec
Das Unternehmen Duesenfeld GmbH betreibt ein patentiertes Verfahren, das eine stoffliche Verwertungsquote von rund 91 Prozent erreicht. Der Prozess baut auf den Ergebnissen und Erkenntnissen der Forschungsprojekte Lithorec I und Lithorec II auf und wurde als Spin-off in die Praxis überführt. Der Prozess beginnt mit einer Tiefenentladung. Der rückgewonnene Strom wird zum Betrieb der Prozessmaschinen eingesetzt und ins Stromnetz eingespeist. Es erfolgt nach entsprechender Lagerungszeit eine spannungsfreie Demontage, wobei bereits sortenreine Fraktionen wie Aluminium und Kupfer aussortiert werden. Die Zerkleinerung findet unter Inertgas (N2) statt und die Vakuumtrockung erfolgt im Niedertemperaturverfahren bei maximal 50 °C. Dadurch entstehen keine Fluorwasserstoffe und eine energieintensive Gaswäsche wird vermieden. Die getrockneten Batteriefragmente können folgend durch verschiedene Trennmechanismen zurückgewonnen werden. Dazu zählen Aluminium, Kupfer, Eisen, Kunststofffolie sowie die Schwarzmasse. Abschließend wird aktuell im Pilotmaßstab ein hydrometallurgischer Prozess betrieben, der als Endprodukte Nickelsulfat (NiSO4), Kobaltsulfat (CoSO4), Mangansulfat (MnSO4), Lithiumcarbonat (Li2CO3) und Graphit in Batteriequalität produziert. Das Verfahren kann alle Typen von Lithium-Ionen-Batterien wirtschaftlich recyceln und verarbeitet rund 500 Kilogramm pro Stunde an Material. Weitere Forschung sowie die Hochskalierung des Hydrometallurgieprozesses sind aktuell in Arbeit.
Quelle:
Duesenfeld GmbH (2022): Lizenzierung der Duesenfeld Patente (online). Duesenfeld GmbH (abgerufen am: 28.10.2022), verfügbar unter: www.duesenfeld.com/lizenzierung.html
Am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) wurde die Rückgewinnung von Graphit aus Altbatterien untersucht. Dazu wurde ein Konzept entwickelt, das die Methode der Schaumflotation anwendet. Dies ist ein bereits etablierter Prozess für die Mineralienabtrennung von taubem Gestein. Trennmerkmale für die Schaumflotation sind Partikel- und Oberflächeneigenschaften wie Morphologie und Größe. Da der Prozess über die selektive Hydrophobierung erfolgt, können so die Mineralien über ihre wasserabweisende Eigenschaft und Fähigkeit der Anhaftung an Gasblasen über den Schaum ausgetragen werden.
Quelle:
Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf e. V. (2021): Wenn Batterien zu Schaum werden (online) – HZDR-Doktorandin mit Konzept zum verbesserten Batterie-Recycling beim Falling Walls Wettbewerb. Helmholtz-Zentrum Dresden - Rossendorf e. V. (abgerufen am: 31.10.2022), verfügbar unter: www.hzdr.de/db/Cms
Nach den Trennprozessen liegen die Materialien der Lithium-Ionen-Batterien als Bruchstücke vor. Das Projekt entwickelt eine Messtechnik, die die Eigenschaften des Schredderguts für jedes Bruchstück online und inline erfassen soll. In Kombination mit Bilddaten (spektroskopische bzw. hyperspektrale Informationen) werden große Datensätze gewonnen. Diese sollen über das maschinelle Lernen so verarbeitet werden, dass ingenieurtechnische Zusammenhänge über die Partikelart und -form sowie die Zusammensetzung gezogen werden können. Die zu entwickelnde Mess- und Regelungstechnik soll entlang der gesamten Recyclingkette zur Qualitätsüberwachung und Datenakquise angewandt werden.
Quelle:
greenBatt (2021a): DIGISORT - Digitalisierung mechanischer Sortierprozesse (online). Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS, 28.04.2021 (abgerufen am: 31.10.2022), verfügbar unter: www.greenbatt-cluster.de/de/projekte/digisort/
Die Studie zeigt auf, dass über eine hydrothermale Reaktion in einer Lithium-haltigen Lösung eine degradierte Lithium-Mangan-Oxid-Kathode regeneriert werden kann. Über das Verfahren ist es möglich, die Stöchiometrie und die Mikrophasenreinheit des Kathodenmaterials wiederherzustellen und diese für einen erneuten Einsatz in der Batteriefertigung einzusetzen. Im Rahmen einer Lebenszyklusanalyse konnte nachgewiesen werden, dass diese einstufige Regeneration gegenüber pyro- und hydrometallurgischen Prozessen ökologische und wirtschaftliche Vorteile bietet.
Quelle:
Gao, H.; Yan, Q.; Xu, P.; Liu, H.; Li, M.; Liu, P.; Luo, J. und Chen, Z. (2020): Efficient Direct Recycling of Degraded LiMn2O4 Cathodes by One-Step Hydrothermal Relithiation. In: ACS applied materials & interfaces, 12 (46), S. 51546 – 51554. ACS applied materials & interfaces. doi:10.1021/acsami.0c15704
Das Projekt entwickelt eine Methode zur Messung niedrig- sowie hochsiedender Bestandteile des Elektrolyten. Durch die Möglichkeit dieser Prozessüberwachung bzw. Datenerhebung können Erkenntnisse über den Verbleib im Verfahrensprozess generiert werden. Die darauf aufbauende Prozessstrategie, die im Labor- und Pilotmaßstab umgesetzt werden soll, zielt auf die Rückgewinnung aller Bestandteile des Elektrolyten ab. Abschließend soll über die Ergebnisse der notwendige prozesstechnische Aufwand zur Abtrennung des Elektrolyten bestimmt werden.
Quelle:
greenBatt (2021e): LOWVOLMON - Monitoring schwerflüchtiger Elektrolyte in der mechanischen Recyclingprozesskette (online). Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS, 14.07.2021 (abgerufen am: 31.10.2022), verfügbar unter: www.greenbatt-cluster.de/de/projekte/lowvolmon/
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Tel.: +49 (0)30 2759506-505
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