Multidisciplinary development of a novel pyrometallurgical recycling approach for lithium-ion batteries

Der steigende Anteil von Elektrofahrzeugen im Verkehrssektor sowie der verstärkte Einsatz erneuerbarer Energien in energieintensiven Industrien stellen zwei zentrale Säulen globaler Dekarbonisierungsstrategien dar. Elektrofahrzeuge und stationäre Energiespeichers sind essenziell, um anthropogen verursachte CO₂-Emissionen zu reduzieren und die Integration erneuerbarer Energiequellen in Stromnetze zu ermöglichen. Die stark schwankende Verfügbarkeit erneuerbarer Energien erfordert jedoch geeignete Speichertechnologien. Lithium-Ionen-Batterien gelten aufgrund ihrer hervorragenden elektrochemischen Eigenschaften als besonders vielversprechend. Der steigende Bedarf an dieser Technologie führt jedoch zwangsläufig zu großen Abfallströmen und verstärkt wirtschaftliche sowie politische Abhängigkeiten von rohstoffreichen Drittstaaten. Das Recycling gebrauchter Batterien kann nicht nur diese Abhängigkeiten, sondern auch die Umweltbelastung bei der Batterieherstellung signifikant reduzieren.
Die Pyrometallurgie ist aufgrund ihrer Einfachheit, hohen Produktivität und Flexibilität gegenüber gemischten Abfallströmen eine etablierte Recyclingroute für LIBs. Ein Nachteil ist jedoch der Verlust von Lithium durch Verschlackung, was sowohl die Ressourceneffizienz als auch die wirtschaftliche Rentabilität beeinträchtigt. Eine Alternative zu herkömmlichen Verfahren stellt die carbothermische Reduktion im InduRed-Reaktor dar, bei der flüchtige Elemente wie Lithium und Phosphor über die Gasphase extrahiert werden können, während wertvolle Metalle wie Kobalt, Nickel und Kupfer in einer Legierung konzentriert werden. Die vorliegende Arbeit verfolgt einen multidisziplinären Ansatz zur schrittweisen Optimierung des InduRed-Reaktors, wobei „multidisziplinär“ verschiedene Fachbereiche wie Metallurgie, Materialwissenschaften und weitere umfasst. Ziel dieses Ansatzes ist es, zentrale Herausforderungen entlang eines geschlossenen Recyclingkreislaufs zu identifizieren und industriell zu verwerten.
Im Kontext einer Kreislaufwirtschaft wurden in dieser Arbeit sowohl mögliche Einflüsse vorgeschalteter Prozessschritte auf das Schmelz- und Reaktionsverhalten der Schwarzmasse, als auch nachgeschaltete Verarbeitungsstrategien für die gewonnene Legierung untersucht. Besonders Agglomerationen, verursacht durch unvollständig entfernte Bindemittel, beeinflussen die Effektivität des Reaktorbetriebsprinzips negativ. Die Ermittlung kinetischer Parameter lieferte weitere Erkenntnisse zum Hochtemperaturverhalten des oxidischen Einsatzmaterials. Unterstützt wurden diese Untersuchungen durch thermodynamische Simulationen und Phasenanalysen schockgekühlter Proben aus isothermen Schmelzversuchen. Die entwickelte Methodik bildet dabei eine Grundlage für zukünftige Forschungsprojekte in einem erhöhten Temperaturbereich. Die resultierenden Produkte, insbesondere die erzeugte Legierung, wurde sowohl unter Open-Loop- als auch Closed-Loop-Recyclingszenarien analysiert. Thermodynamische Berechnungen mit FactSage™ sowie anschließende biohydrometallurgische Untersuchungen zeigten geeignete Verwertungswege für die zurückgewonnenen Materialien auf.
Ein weiterer zentraler Untersuchungsbereich war die Widerstandsfähigkeit der verwendeten Tiegelmaterialien. Vorangegangene Studien haben gezeigt, dass die Kombination aus reduzierender Atmosphäre und chemisch aggressivem Einsatzmaterial zu erheblichem Verschleiß der Feuerfestkeramiken führt. Korrosion durch Kobalt und Eisen sowie Diffusion von Lithium und Phosphor beeinträchtigen nicht nur die Lebensdauer der Materialien, sondern mindern auch die Rückgewinnungsraten und damit die wirtschaftliche Effizienz. Nach Literaturrecherche wurden drei alternative Materialien getestet. Es konnte gezeigt werden, dass Siliciumcarbid eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit und Chromoxid eine verbesserte Diffusionsresistenz aufweist. Zusätzlich wurde untersucht, ob graphitbasierte Beschichtungen die Diffusion flüchtiger Elemente wie Lithium weiter reduzieren und somit den Verschleiß der Innenwandungen des Reaktors verringern können.
Die Erkenntnisse dieser Arbeit sind entscheidend für die Entwicklung zukunftsfähiger Recyclingstrategien, die nicht nur zur Ressourcensicherung beitragen, sondern auch eine ökologisch nachhaltige Alternative innerhalb der Pyrometallurgie darstellen. Aufbauend auf den Ergebnissen der Tiegelversuche können in künftigen Arbeiten optimierte Materialkombinationen entwickelt werden, um die Diffusion von Lithium und Phosphor weiter zu minimieren. Darüber hinaus kann die entwickelte Methodik zur Ermittlung kinetischer Parameter auf weitere Materialien und höhere Temperaturbereiche übertragen werden. Langfristig liegt ein besonderer Fokus auf der kontinuierlichen Betriebsweise, um das Verfahren auf ein höheres technologisches Reifestadium und damit auf industrielle Maßstäbe zu heben.