LOWVOLMON – Monitoring schwerflüchtiger Elektrolyte in der mechanischen Recyclingprozesskette

Das Vorhaben beschäftigt sich mit dem Elektrolyten in einer Lithium-Ionen-Batterie, einer Mischung aus speziellen organischen Lösungsmitteln, der bis ca. 20 % der Gesamtmasse einer Batteriezelle ausmachen kann. In mechanischen Recyclingprozessen wird der Elektrolyt beim Öffnen der Batterie durch Schreddern oder Demontieren freigesetzt und kann verdunsten. Für die gezielte Rückgewinnung kommen nach dem Stand der Technik bspw. Vakuumtrockner zum Einsatz, die den Elektrolytgehalt soweit reduzieren können, dass der Emissionsschutz in den nachfolgenden Verarbeitungsschritten gewährleistet ist. Alle Bestandteile der Elektrolytmischung werden dabei allerdings nicht oder nicht vollständig entfernt. Vielmehr verbleiben schwerflüchtigen Komponenten, die eine hohe Siedetemperatur haben, an und in verschiedenen Batteriekomponeten und -materialien. Bis dato ist diese Menge nicht quantifiziert worden, erste Abschätzungen deuten auf ca. 10-20 % der Gesamtmasse der Elektrolytfüllung einer Batteriezelle hin. Dieser Restgehalt an schwerflüchtigen organischen Substanzen ist nicht inert, er verdunstet nur langsamer, sodass in sich anschließenden Prozessschritten erneut Elektrolytdampf anreichern kann. Ferner wirkt der Elektrolyt in Prozessen der Flotation und der Hydrometallurgie als zusätzliche Prozesschemikalie, welche eine effektive Verarbeitung erschwert.

Simulation der thermischen Belastung ausgedrückt über die Temperaturverteilung von Partikeln in einem Drehrohrofen kurz vor dem Erreichen des thermischen Gleichgewichts bei ca. 400 °C.
© TU Clausthal IEVB

Das Projekt LOWVOLMON zielt damit auf die Messung und Identifikation der Elektrolytbestandteile im Sinne einer Prozessüberwachung und -datenerhebung, um Informationen über deren Verbleib in technischen Prozessen zu erhalten. Hierauf aufbauend wird eine Prozessstrategie entwickelt und im Labor- und Pilotmaßstab umgesetzt, die sehr früh in der mechanischen Prozesskette in der Lage ist, nicht nur die niedrig siedenden, sondern möglichst alle Bestandteile des Elektrolyten aus dem Materialstrom zu entfernen und rückzugewinnen. Hierfür werden apparative Kombination von Schreddern und Trocknen entwickelt sowie der Trocknungsprozess detailliert untersucht, modelliert und simuliert. Im Ergebnis kann der prozesstechnische Aufwand für das vollständige Entfernen des Elektrolyten vor der weiteren mechanischen Verarbeitung im Recyclingprozess vorhergesagt werden.

Die mechanische Verarbeitung wird weiterhin durch vorgelagerte thermische Behandlungsschritte beeinflusst, da sich die Materialeigenschaften insbesondere der Kunststoffe und Bindermaterialien im entsprechenden Temperaturbereich ändern. Die Prozessführung der folgenden mechanischen Schritte muss daher angepasst werden. Dies und der Blick auf die sich ans mechanisch-thermische Recycling anschließenden Aufbereitung bestehend aus Flotation und hydrometallurgischen Prozessen, ermöglich eine ganzheitliche Betrachtung der modifizierten Prozesskette, sodass LOWVOLMON ein vollständiges Bild vom Schreddern einer Batterie bis zu den Wertstoffkonzentraten liefern kann. Diese modifizierte Prozesskette besitzt das Potential, sowohl Reinheit als auch Ausbeute der Sekundärrohstoffe zu erhöhen, sodass mehr wirtschaftlich relevante Rohstoffe im Wertstoffkreislauf für die Batterieproduktion verbleiben.

Kontakt

Technische Universität Bergakademie Freiberg – Institut für Mechanische Verfahrenstechnik und Aufbereitungstechnik

Prof. Dr.-Ing. Urs Alexander Peuker

Christian Wilke

Agricolastraße 1, KKB 1057, 09599 Freiberg

tu-freiberg.de/fakult4/mvtat

Projektlaufzeit

03/2021 – 02/2024

Beteiligte Partner

Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS)