Untersuchungen zur selektiven Rückgewinnung von Mangan aus Aktivmaterial von verbrauchten Lithium-Ionen-Batterien

Mangan wird als potenzieller Sekundärrohstoff aus dem Recycling von Lithium-Ionen-Batterien derzeit in Überlegungen weitestgehend nicht berücksichtigt. Dennoch besteht eine realistische Möglichkeit, dass Mangan, vor allem in Batteriequalität, in Zukunft auf der europäischen Liste der kritischen Rohstoffe auffindbar ist. Ziel der Arbeit ist die Untersuchung und der Vergleich dreier, bisher annähernd unerprobter Methoden zur selektiven Rückgewinnung von Mangan aus NMC-Kathodenmaterial verbrauchter Lithium-Ionen-Batterien. Der Forschungsumfang im Labormaßstab besteht zum einen aus der Laugung von industriellem, pyrolysierten Aktivmaterial in einem NH3-(NH4)2CO3-Na2SO3-System, was zu selektiven Fällungsreaktionen für Mangan führen soll, bei Temperaturen zwischen 60 und 80 °C und Feststoffkonzentrationen von 10 bis 50 g·l-1. Zum anderen umfasst die Arbeit Experimente zur selektiven Fällung von Mangan aus schwefelsauren Lösungen mit pH 4–5 bei 60 °C, welche Mangan-, Nickel-, Kobalt- und Lithium-Ionen aus reinen Chemikalien enthalten, mittels SO2/O2 Gas mit den Verhältnissen 1/99 und 0,1/99,9. Die dritte Versuchsreihe untersucht die Fällung von Mangan aus einer manganreichen, unbewegten beziehungsweise rotierenden Lösung durch die Bestrahlung mit UV-Licht bei einem pH-Wert von 8,5 bis 9 und Raumtemperatur.
Die ammoniakalische Laugung zeigt niedrige Laugungseffizienzen für Ni, Co und Li aufgrund des erhöhten pH-Wertes bedingt durch hohe NH3-Konzentrationen und den geringen Dauern. Dennoch ist die Ausbringung von Mangan im Feststoff durch erhöhte Temperaturen und zunehmende Dauer begünstigt.
Die Untersuchungen, welche sich mit der selektiven Fällung von Mn mithilfe von SO2-haltigem Gas befasst, zeigt klar, dass erhöhte SO2-Konzentrationen die Prozessführung erheblich verkomplizieren. Bei Gasgemischen mit geringerer Oxidationskraft verringert sich der pH-Wert im Laufe der Experimente nur langsam und erreicht nach einer Dauer von ca. 60 Minuten einen kritischen Punkt, wonach eine weitere Reaktion mit Mn gehemmt ist. Das gebildete Präzipitat weist einen hohen Mn- und gleichzeitig niedrige Ni- und Co-Gehalte auf.
Die Oxidation von gelöstem Mangan findet bei pH-Werten zwischen 8,5 und 9 mittels UV-Licht verstärkt statt und wird durch Rotation des Lösungsbehältnisses mit 30 Umdrehungen pro Minute erheblich beschleunigt.
Die Forschungsergebnisse sind für einen effizienten Stoffkreislauf im Bereich der Lithium-Ionen-Batterien in Zukunft von hoher Relevanz. Derzeit liegt der Fokus verstärkt auf dem Recycling der Elemente Kobalt, Nickel und Lithium, jedoch darf diese Debatte nicht das Vergessen der restlichen Bestandteile der Batterien zur Folge haben.