Batterierecycling: Neue Forschungsansätze zur Metall­rückgewinnung

An der RWTH Aachen wurde ein flexibles Recyclingverfahren entwickelt, das speziell auf transportable Lithium-Ionen-Batterien ausgerichtet ist und die Vorteile hydro- und pyrometallurgischer Prozessschritte vereint. Zentrales Aggregat ist ein Lichtbogenofen. Aus Elektrolichtbogenofen-Schlacken werden Lithium, Kobalt und andere wertvolle Batteriekomponenten wie Kupfer, Aluminium, Eisen, Nickel und Mangan rückgewonnen.

Grundsätzlich lassen sich Lithium-Ionen-Batterie-Recyclingprozesse sowohl über nasschemische Prozesse bei niedrigen Temperaturen als auch über pyrometallurgische Prozesse, die in Schmelzaggregaten bei hohen Temperaturen stattfinden, durchführen. Das Forschungsvorhaben an der RWTH Aachen untersuchte zwei flexible hy­dro- und pyrometallurgische Verfahren, die eine Vorbehandlung mittels Pyrolyse durchlaufen – um die organischen Komponenten zu entfernen – und sich nach der mechanischen Aufbereitung verfahrensbedingt voneinander abgrenzen.

Nach der Vorsortierung des Materials erfolgen die Demontage von Batteriepacks sowie die Freilegung der Batteriezellen durch den Einsatz einer Prallmühle, danach die Abtrennung der Kunststoff-Fraktion aus den Gehäusen der Batteriepacks, der Elek­tronik-Fraktion und Fremdmaterialien. Die freigelegten Batterien werden in einem widerstandsbeheizten Retortenofen einer vakuumthermischen Behandlung unterzogen. Aus Sicherheitsgründen werden die Batteriezellen vor den weiteren Zerkleinerungs- und Klassierungsschritten bei einem Unterdruck von 700 bis 650 mbar und einer Temperatur von maximal 450 °C deaktiviert.

Mittels Zerkleinerung und nachgeschalteter Siebung kann eine Feinfraktion von einer Grobfraktion abgetrennt werden. Die Feinfraktion < 200 µm enthält die aktiven Elektrodenmaterialien der Batterien, Li, Mn, Ni, Cu und Co, sowie einen Großteil des Anodengraphits. Über eine Magnetscheidung lässt sich das übrige Batteriematerial, die Grobfraktion, in zwei Metallfraktionen einteilen: eine Al-Cu-Fraktion (Leichtfraktion) und eine Eisenfraktion, die auch erhöhte Ni-Anteile enthält.

Option A und Option B
Das Elektrodenmaterial kann darauf aufbauend auf zwei unterschiedliche Arten weiter behandelt werden: „Option A (early stage) ermöglicht durch den Einsatz eines Drehrohrofens eine Niedrigtemperatur-Phasenumwandlung, während Option B (final stage) mit dem Einsatz eines Drehrohrofens auf die Senkung des Kohlenstoffgehalts zur weiteren pyrometallurgischen Aufbereitung im Lichtbogenofen abzielt. In Option A wird speziell eine Transformation der enthaltenen Lithiumverbindungen angestrebt, welche in Carbonat-Form und somit durch die starke Löslichkeit in Wasser von den weiteren Komponenten des Elektrodenmaterials getrennt werden können. Sie können schließlich, äquivalent zu Option B, in einem Elektrolichtbogenofen (LBO) umgeschmolzen werden, wodurch sowohl eine Ni-Co-Cu-Legierung als auch eine Mn-Fe-Al-haltige Schlacke mit Restgehalten an Co entstehen. Die Co-Gehalte der Schlacke erfordern schließlich eine weitere Nachbereitung in Form einer zweiten LBO-Stufe zur Schlackenraffination und Extraktion der Wertgehalte.“

Bei der Verarbeitung des Elektrodenmaterials gemäß Option B im Lichtbogenofen entsteht ebenfalls eine Ni-Co-Cu-haltige Legierung und eine Schlacke, welche allerdings noch Lithium enthält: „Hier ist eine anschließende Schlackenreinigung auf hydrometallurgischem Wege eine geeignete Raffinationsmethode, um ebenfalls Lithiumcarbonat aus der Schlacke zu lösen.“

Der Beitrag „Lithium- und Kobalt-Rückgewinnung aus Elektrolichtbogenofenschlacken des Batterie-Recyclings“ von Lilian Peters, Claudia Schier und Bernd Friedrich beschreibt ausführlich das Verfahren und die Untersuchungsergebnisse und ist erschienen in: Mineralische Nebenprodukte und Abfälle 5 – Aschen, Schlacken, Stäube und Baurestmassen, hrsg. v. Stephanie Thiel, Elisabeth Thomé-Kozmiensky, Bernd Friedrich, Thomas Pretz, Peter Quicker, Dieter Georg Senk, Hermann Wotruba, Thomé-Kozmiensky Verlag GmbH, ISBN 978-3-944310-41-1. www.vivis.de

(Erschienen im EU-Recycling Magazin 09/2021, Seite 34, Foto: EU-R Archiv)