Evaluation of the suitability of an inductively heated carbon bed reactor for the pyrometallurgical recycling of lithium-ion batteries

Titel in Übersetzung: Bewertung der Eignung eines induktiv beheizten Grafit-Festbettreaktors für das pyrometallurgische Recycling von Lithium-Ionen-Batterien

Stefan Windisch-Kern

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Die rasante Marktkapitalisierung sowie der resultierende Bedarf an wertvollen, teilweise auch kritischen Rohstoffen, machen Lithium-Ionen-Batterien (LIB) kurz-, mittel- und wahrscheinlich auch langfristig zu einem der relevantesten Themenbereiche der Recyclingindustrie. Ansätze wie dieses Recycling aussehen kann gibt es viele, wovon einige schon industriell umgesetzt wurden, während sich andere noch in der Entwicklung befinden. Fest steht, dass sich die Spielregeln aufgrund der ständigen Weiterentwicklung der LIB - Technologie noch häufig ändern werden und die Verfahren ein großes Maß an Flexibilität aufweisen müssen. Allgemein stellt die Aufbereitung von bzw. die Rückgewinnung wertvoller Rohstoffe aus LIB eine komplexe Aufgabe dar, welche oft eine Kette von Prozessen und Verfahren beinhaltet. Da die dabei noch offenen Herausforderungen und wissenschaftlichen Fragestellungen sowohl in Anzahl als auch Inhalt äußerst umfangreich sind, nimmt sich die vorliegende Arbeit nur einem Teilaspekt dieses Problems an. Entlang der Recyclingkette von LIB entsteht als Zwischenprodukt sogenanntes ‚Black Matter‘, ein mit Wertmetalloxiden angereichertes, schwarzes Pulver, dessen weitere Verarbeitung als Engpass des LIB-Recyclings angesehen werden kann. Die Rückgewinnung wertvoller Metalle wie Nickel, Kobalt oder auch Lithium aus diesem Black Matter kann durch verschiedene Methoden mit spezifischen Vor- und Nachteilen erreicht werden. Diese Arbeit konzentriert sich dabei auf den pyrometallurgischen Ansatz, welcher neben vieler Vorteile eine sehr entscheidende Schwäche aufweist. Lithium, welches mittlerweile auf der Liste kritischer Rohstoffe der Europäischen Kommission zu finden ist, wird in den bisher verbreiteten Verfahren beinahe ausschließlich oxidiert und verschlackt. Da die Möglichkeiten für eine spätere Rückgewinnung aus dieser Schlacke aufgrund niedriger Konzentrationen vor allem ökonomisch eingeschränkt sind, wird die lithiumhaltige Schlacke oft anderweitig verwertet. Während Nickel und Kobalt durch pyrometallurgische Verfahren also zuverlässig zurückgewonnen werden können, scheidet Lithium dabei zumindest für den für LIBs relevanten Stoffkreislauf aus. Da die wirtschaftliche Bedeutung von Lithium aufgrund der prognostizierten Marktzuwächse im LIB-Bereich aber hoch ist und besonders vor dem Hintergrund zukünftiger Versorgungssicherheit heraussticht, ist ein nachhaltigerer Umgang damit in Zukunft jedoch unbedingt anzustreben. Die vorliegende Arbeit nimmt sich im Speziellen diesem Problem an und untersucht eine Möglichkeit, auf pyrometallurgischem Wege eine simultane Rückgewinnung von Nickel, Kobalt, den weiteren Übergangsmetallen sowie Lithium zu erreichen. Dafür soll das sogenannte InduRed-Reaktorkonzept zum Einsatz kommen, welches für diesen Zweck günstige Eigenschaften aufweist und bereits erfolgreich für andere wertstoffreiche Reststoffe angewendet wurde. Ziel der Arbeit ist es also zu untersuchen, ob das Reaktorkonzept eine Alternative zu konventionellen pyrometallurgischen Ansätzen darstellen kann, an welcher Stelle es sich optimalerweise in der Recyclingkette eingliedern sollte und welchen Beitrag es zur zukünftigen Nachhaltigkeit der LIB-Technologie leisten kann. Zur Feststellung dieser grundsätzlichen Eignung sowie der potentiell erzielbaren Rückgewinnungsraten und möglicherweise notwendigen Anpassungen des Verfahrens, wurde eine Reihe von Recherchen, Versuchen und Analysen durchgeführt. Die Ergebnisse können im Wesentlichen in drei Teilbereiche gegliedert werden. Der erste Teil, welcher den Start der wissenschaftlichen Arbeit markiert, beschäftigt sich mit dem Hochtemperaturverhalten aktuell eingesetzter Kathodenmaterialien. In mehreren Versuchsreihen wurden die gängigsten Kathodenmaterialien mit und ohne Kohlenstoffzugabe sowie Black Matter aus einem Vorbehandlungsprozess in einem Erhitzungsmikroskop untersucht und thermograv
Titel in ÜbersetzungBewertung der Eignung eines induktiv beheizten Grafit-Festbettreaktors für das pyrometallurgische Recycling von Lithium-Ionen-Batterien
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Raupenstrauch, Harald, Betreuer (intern)
  • Siebenhofer, Matthäus, Beurteiler A (extern), Externe Person
  • Kienberger, Thomas, Mitbetreuer (intern)
  • Lehner, Markus, Beurteiler A (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2022

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • Lithium-Ionen-Batterien
  • Metallrecycling
  • Pyrometallurgie
  • Carbo-thermische Reduktion

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