Hydrometallurgical recycling of lithium-ion batteries in a secondary copper refinery

Aus Gründen des Umweltschutzes und der Wirtschaftlichkeit wurden in jüngster Zeit vermehrt unterschiedliche Techniken der Aufbereitung von Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) erforscht. Diese umfassen pyrometallurgische, hydrometallurgische sowie direkte Recycling-Verfahren. Hydrometallurgischen Methode zeigen die bislang vielversprechendsten Ergebnissen für eine Aufbereitung mit hohen Rückgewinnungsraten und einem hohen Reinheitsgrad des verwertbaren LIB-Materials. Die vorliegende Masterarbeit untersucht einen hydrometallurgischen Ansatz des LIB-Recyclings im Zusammenhang mit der sekundären Kupfergewinnung und soll allenfalls mögliche Synergieeffekte aufzeigen. Als Verknüpfung zwischen den beiden Systemen soll die Schwefelsäurelaugung der Aktivmasse aus LIBs mittels Elektrolytslösung einer Kupferproduktion dienen. Zwei Akkublöcke aus dem Bereich der E-Mobilität werden hinsichtlich ihrer stofflichen Zusammensetzung und physikalischen Eigenschaften eingehend beschrieben. Um die Aktivmasse für den Laugungsversuch zu erhalten, werden vor dem hydrometallurgischen Verfahren eine Reihe von Vorbehandlungsschritten einschließlich Entladung, Zerlegung, Pyrolyse, Zerkleinerung und Siebung ausgeführt. Das Laugungsmedium wird mit Nickel, Kupfer, Arsen, Eisen und Kalzium verunreinigt, um die Zusammensetzung einer Elektrolytlösung nach dem dritten Stadium der Kupferfreisetzung zu simulieren. In der Beobachtung der Parameter Temperatur, Volumenverhältnis fest zu flüssig, Schwefelsäuregehalt, Wasserstoffperoxidgehalt, Auslaugungszeit und Kupfergehalt konnte eine statistische Versuchsplanung Verwendung finden, welche eine Bestimmung der optimalen Laugungsbedingungen ermöglicht. Obgleich der ideale Auslaugpunkt am Rande jener Werte der Versuchsplanung liegt, so belegen die Studienergebnisse doch die Durchführbarkeit einer LIB-Auslaugung mit Abfallsäuren aus einer Elektrolytlösung. Des Weiteren wird eine hypothetische Kupferraffinerie vorgestellt, um dank der stofflichen Charakterisierung der LIB-Akkublöcken und der Ergebnisse für die optimalen Auslaugungs-Parameter einen Massenstromanalyse zu einer LIB-Recyclinganlage herzustellen.