Investigation of the phenomena occurring in an inductively heated packed bed reactor for the pyrometallurgical recovery of valuable metals from lithium-ion batteries

Titel in Übersetzung: Untersuchung der Vorgänge in einem induktiv beheizten Schüttschichtreaktor für die pyrometallurgische Rückgewinnung von Wertmetallen aus Lithium-Ionen-Batterien

Alexandra Holzer

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Die globale Erwärmung ist eine der zentralsten Herausforderungen unserer Generation. Wesentliches Element zur Eindämmung dieser ist die drastische Reduktion von anthropogen verursachten Treibhausgasemissionen. Dahingehend sind die Bestrebungen der politischen Instanzen ganz klar in Richtung dem Ausbau der Nutzung an erneuerbarer Energie zu verzeichnen. Wichtige Vorgaben und Zielsetzungen wurden beispielweise im Pariser Klimaabkommen oder dem Europäischen Green Deal festgelegt. Für diese Transformation ist in allen Sektoren ein massiver regulatorischer, aber vor allem auch technologischer Wandel notwendig. Lithium-Ionen Batterien (LIB) spielen eine entscheidende Rolle bei der Erreichung dieser Ziele, da sie weitgehend in der Elektromobilität aber auch in der Energieversorgung Anwendung finden. Durch den dadurch entstehenden wachsenden Bedarf an den darin enthaltenen Rohstoffen, wie Lithium, Phosphor, Nickel und Kobalt, ist ein nachhaltiges Materialmanagement durch eine vollständige Kreislaufwirtschaft unverzichtbar.
Im Rahmen der vorliegenden Doktorarbeit wurde ein neuartiges pyrometallurgisches Recyclingverfahren, das sogenannte InduRed Reaktorkonzept, durch die Erforschung der zugrunde liegenden Prozesse und Phänomene weiterentwickelt. Dabei wurde die im Batch-Betrieb geführte Vorpilotanlage InduMelt optimiert und aktuell kommerziell verwendete Kathodenmaterialien in diesem reduzierenden Prozess untersucht. Im Zuge der durchgeführten Versuche konnte eine vielversprechende Rückgewinnungsrate der Wertmetalle in eine Metalllegierung, wie auch die Überführung von Lithium und Phosphor in die Gasphase nachgewiesen werden. Zweiteres ermöglicht nicht nur die einfachere Nutzbarmachung dieser als kritische Rohstoffe deklarierten Elemente, sondern stellt auch ein absolutes Alleinstellungsmerkmal in der Pyrometallurgie dar. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass das überarbeitete Reaktordesign eine bessere Reproduzierbarkeit der Versuchsdurchführung ermöglicht. Allerdings ist weder das ursprünglich verwendete Tiegelmaterial aus Al2O3, noch das neue aus MgO für einen kontinuierlichen Einsatz geeignet. Um diese Technologie zur Industriereife zu führen, müssen weitere Forschungsanstrengungen zur Findung eines optimalen Feuerfestmaterials unternommen werden.
Ein tatsächlicher Abfallstrom aus LIB setzt sich jedoch nicht nur aus dem Kathodenmaterial zusammen. Auch Anodenmaterial und in der Vorbehandlung unvollständig abgetrennte weitere Bestandteile des Batterieaufbaues sind darin vorzufinden. Aus diesem Grund wurde auch der Einfluss von Kupfer und Aluminium aus den Elektrodenableiterfolien, wie auch Graphit aus der Anode auf das Hochtemperaturverhalten unter reduzierenden Bedingungen untersucht. Dabei wurde ein Höhenschichtmodell erstellt, welches eine zukünftig einfachere und versuchsärmere Einsatzfähigkeit im InduRed Reaktorkonzept ermöglicht. Dies stellt nicht nur eine Kommunikationsbasis mit den Betreibern der Vorbehandlungsverfahren dar, sondern ist auch ein wichtiges Werkzeug für eine effiziente Entwicklung eines Gesamtrecyclingverfahrens.
Darauf aufbauend wurde folglich eine mögliche Prozesskombination von hydromechanischer Vorbehandlung, Flotation und der pyrometallurgischen Behandlung in der InduMelt Anlage eines LIB Abfallstroms untersucht. Auch wenn die Produktivität durch weitere Optimierungsmaßnahmen gesteigert werden muss, so konnte auch in diesem Anwendungsfall eine hohe Entfernungsrate an Lithium von über 98% und eine hohe Produktqualität der Metalllegierung nachgewiesen werden. Diese Forschungsaktivität bestätigt somit, dass das InduRed Reaktorkonzept eine vielversprechende Technologie für die Wertmetallrückgewinnung aus verbrauchten Lithium-Ionen Batterien darstellt. Zur Ermöglichung einer raschen und effizienten Hochskalierung des Reaktorkonzeptes auf eine industrielle Anwendung müssen noch tiefgehende Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten im Bereich der Grundlagenforschung, des Anlagenbaus und der Vor- und Nachbehandlung der Produkte durchgeführt werden, deren Ausführung diese Doktorarbeit beschließen.
Titel in ÜbersetzungUntersuchung der Vorgänge in einem induktiv beheizten Schüttschichtreaktor für die pyrometallurgische Rückgewinnung von Wertmetallen aus Lithium-Ionen-Batterien
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Kienberger, Thomas, Mitbetreuer (intern)
  • Antrekowitsch, Helmut, Beurteiler A (intern)
  • Raupenstrauch, Harald, Betreuer (intern)
  • Siebenhofer, Matthäus, Beurteiler B (extern), Externe Person
Datum der Bewilligung31 März 2023
DOIs
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2023

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • Lithium-Ionen Batterien
  • Recycling
  • Pyrometallurgie

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