Recycling von Lithium-Ionen-Batterien · Lithium Hydrometallurgie Schichtstrukturen Spinel-Struktur Olivine-Struktur . Prozess-Routen 10. November 2011 Christian Hanisch | Seite 13

Christian Hanisch

Institut für Partikeltechnik, TU Braunschweig

Recycling von Lithium-Ionen-Batterien

Materialkreislauf einer Traktionsbatterie

10. November 2011 | Christian Hanisch | Seite 2

Zellen

BMS

Batteriesystem

Komponenten Aufbereitung

Mobile Nutzung

Bewertung

Separation

Stationäre Weiterverwendung

Quelle: Gunnar Bärwald, Niedersächsisches Forschungszentrum Fahrzeugtechnik

Entwicklung des Altbatterieaufkommens

aus der Elektromobilität in Deutschland


Source: Claas Hoyer, Institute of Automotive Management and Industrial Production, TU Braunschweig

Traktionsbatterie


Batterie Exemplarische Materialkosten

einer Batteriezelle

Source: Aufbau einer Li-Ionen Batterie (Li-Tec Battery GmbH, 2009) Source: Costs of Lithium Ion Batteries for Vehicles (Argonne National Laboratory, 2000)

Zelle

Elektrode

Aufbau Batteriezelle

Quelle: eigen und Degussa

Al

Kathode

Cu

Anode

+

e

e

e

e

e

e

e eV

e Elektronenfluss bei Entladung

Lithium-Metall-Oxid

Separator

Elektrolyt

Stromsammler

Leitfähigkeitsruß

Lithium-Ion (Li+)

Kohlenstoff Schicht

Ionenfluss bei Entladung

Ionenfluss bei Ladung

Al

Kathode

Cu

Anode

+

e

e

e

e

e

e

e eV

Al

Kathode

Cu

Anode

++

e

e

e

e

e

e

e eV

e Elektronenfluss bei Entladungeee Elektronenfluss bei Entladung

Lithium-Metall-Oxid Lithium-Metall-Oxid

SeparatorSeparator

ElektrolytElektrolyt

StromsammlerStromsammler

LeitfähigkeitsrußLeitfähigkeitsruß

Lithium-Ion (Li+)Lithium-Ion (Li+)

Kohlenstoff SchichtKohlenstoff Schicht

Ionenfluss bei Entladung Ionenfluss bei Entladung

Ionenfluss bei Ladung Ionenfluss bei Ladung

Anode Kathode

Al

Kathode

Cu

Anode

+

e

e

e

e

e

e

e eV

e Elektronenfluss bei Entladung

Lithium-Metall-Oxid

Separator

Elektrolyt

Stromsammler

Leitfähigkeitsruß

Lithium-Ion (Li+)

Kohlenstoff Schicht

Ionenfluss bei Entladung

Ionenfluss bei Ladung

Al

Kathode

Cu

Anode

+

e

e

e

e

e

e

e eV

Al

Kathode

Cu

Anode

++

e

e

e

e

e

e

e eV

e Elektronenfluss bei Entladungeee Elektronenfluss bei Entladung

Lithium-Metall-Oxid Lithium-Metall-Oxid

SeparatorSeparator

ElektrolytElektrolyt

StromsammlerStromsammler

LeitfähigkeitsrußLeitfähigkeitsruß

Lithium-Ion (Li+)Lithium-Ion (Li+)

Kohlenstoff SchichtKohlenstoff Schicht

Ionenfluss bei Entladung Ionenfluss bei Entladung

Ionenfluss bei Ladung Ionenfluss bei Ladung

Entladen

Gehäuse

Separator

Elektrolyt

10. November 2011 | Arno Kwade| Seite 5

Zusammensetzung einer Traktionsbatterie

Batteriesystem Batteriezellen Elektroden Stromsammlerfolie

+ Aktivmaterial




Batteriesystem-Ebene:

50-70% Batteriezellen weitere Behandlung (nächste Folie)

15-45% Gehäuse Verhüttung Stahl, Aluminium

2-6% Kabel Separation Verhüttung Kupfer, Plastik

2-3% Elektronik, Platinen Separation Eisen, Kupfer Aluminium, Rest

0-3% Kühlrohre, Gehäuse Teile Granulation Plastik

0-3% Stromleitschienen Separation Kupfer, Plastik

1-2% Schrauben, Metallteile Wiederverwertung,

Umschmelzen Eisen

<1% Rubber, Tape, etc. Abfall



Batteriezell-Ebene:

ca. 65% Elektroden Weitere Behandlung (nächste Folie)

10-15% Stahl / Aluminium Gehäuse Verhüttung Al, Stahl

10-20% Elektrolyt Rückgewinnung Wertvolle Lösungsmittel,

Elektrolyt-Salz

Verbrennung?

2 - 5% Weitere Teile Einschmelzen Stahl, Kupfer, Aluminium

ca.3% Separator/Folien Verbrennung



Elektroden-Ebene:

10% Kupfer Folie Brikettierung Verhüttung

5% Aluminium Folie Brikettierung Verhüttung

20% Beschicht. Anode Hydrometallurgie Lithium, Organischer Rückstand

30% Beschicht. Kathode Hydrometallurgie Lithium

und

Übergangsmetallsalzlösung (Ni, Co, Mn)

Neue Aktivmaterialien

Fällung

Grundoperationen des Batterie-Recyclings


Mechanische Behandlung Hydrometallurgie Pyrometallurgie

Zerkleinern

(e.g. Brechen, Shreddern)

Klassieren

(e.g. Sieben, Sichten)

Sortieren

(e.g. Magnetseparation)

Einschmelzen der

kompletten Batterie

Zellen

Elektroden

Aktivmaterialien

Rückgewinnung von

Übergangsmetallen Co,

Ni

Chemische Prozesse

Laugen

Extraktion

Kristallisation

Fällung

Rückgewinung reiner

Metalle aus

Aktivmaterialien

Schlacke

Prozess-Routen


Aktivematerial Co, Ni

Cu, Al

Gehäuse,

Elektrolyte

Mechanische Behandlung Pyrometallurgie

Batterie / Batteriezellen

Motivation Hydrometallurgie


1. Generation Lithium-Ionen Batterie

Kobalt, Nickel Pyrometallurgie

Lithium Hydrometallurgie

Abb.: Garche, Jürgen. ELEKTROMOBILITÄT- Brennstoffzellen und Batterietechnologie.),

Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW).

2. Generation Lithium-Ion Batterie

Kein Kobalt, Kein Nickel

Lithium Hydrometallurgie

Schichtstrukturen Spinel-Struktur Olivine-Struktur

Prozess-Routen

10. November 2011 Christian Hanisch | Seite 13

Lithium

Co, Ni

Mechanische Behandlung Hydrometallurgie Pyrometallurgy

Gehäuse,

etc.

Cu, Al

Batterie / Batteriezellen

Prozesskette

Gehäuse,

BMS, Kabel,

Stromleitschienen,

Schrauben

Demontage

Batteriesystem

Demontage

Batteriemodule

Kabel,

Stromleitschienen,

Schrauben…

Kühleinheiten

Komplettes

Batterie System

Entladung

Elektrischer

Strom


Demontage von Batteriesystemen und -modulen


Zellöffnung/ Trocknung

Zell-entladung

Lager System-entladung

Manueller Demontageplatz

Systementladung

Lager

Zelltrockung und -öffnung

Zellentladung

Manuelle Demontageplätze Sonder-

demontage

Deckel- entfernung

Zellentnahme

Layout „Szenario 2015“

ca. 2 Systeme pro Tag

1 Arbeiter nicht voll beschäftigt

Layout „Szenario 2030“

ca. 450 Systeme pro Tag

5 Arbeiter im Zwei-Schicht-System

Quelle: Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik, TU Braunschweig

Prozesskette von der Batteriedemontage

bis zur Materialaufbereitung

Batteriegehäuse

BMS

Verbindungs-

technik

Demontage

Batteriesystem

Demontage

Batteriemodul

Zerlegung

Batteriezelle

Material-

aufbereitung

Verbindungs-

technik

Kühleinheiten

Elektrolyt

Kupfer/Aluminium

Salze von

Übergangs-

metallen

Komplettes

Batteriesystem

Lithiumsalz mit

hoher Reinheit

Tiefentladung

Strom

10. November 2011 | Arno Kwade| Seite 16

Zellzerkleinerung und Sortierung


Zellen / Module

Elektroden-

Fragmente

Separator-Folie

Schwerfraktion:

Stahl-/Al-

Gehäuse

Fe


Hochreine Aufbereitung der Fragmente

Abgetrennte

Beschichtung

Elektroden /

Elektroden-

fragmente

Recycling-Elektroden

Zwischenprodukte

Hydrometallurgie

Aktivmaterial-Synthese

Separation von Stromsammlerfolie und Beschichtung

Physikalisch Nasschemisch

Separate

Folien-Fraktion

Li2CO3 / LiOH

Neue

Aktivmaterialien


Abtrennung der Beschichtung

Abgetrennte

Beschichtung

Elektroden /

Elektroden-

fragmente


Zwischenprodukte

Hydrometallurgie




Separate

Folien-Fraktion

Li2CO3 / LiOH

Neue

Aktivmaterialien

Separation


Ausbeute > 99% des Aktivmaterials

Al-Kontamination < 0.1 Gew.-%

Elektroden,

Elektroden-

Fragmente

Zwischenprodukte Recycling-

Elektrode


Rückgewinnung von Li, Co, Ni, Mn

Abgetrennte

Beschichtung

Elektroden /

Elektroden-

fragmente


Zwischenprodukte

Hydrometallurgie




Separate

Folien-Fraktion

Li2CO3 / LiOH

Neue

Aktivmaterialien

Hydrometallurgischer Prozess

10. November 2011 Christian Hanisch | Seite 22

Hydrometallurgische Lithium-Extraktion

Recyclingquote:

85 % des Lithiums aus LiFePO4

95 % des Lithiums aus LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2

Quelle: Chemetall GmbH

Pilotanlage Hydrometallurgischen Prozesses

Co

, N

i, M

n-L

sg

.

Li-B

rine

Fällung

Metalloxidpartikel

Neue Aktivmaterialien

Kalzinierung

Ökologische Bewertung

Global Warming Potential (GWP)

Abiotic Resource Depletion (ADP)

Acidification Potential (AP)

Eutrophication Potential (EP)

Photochemical Ozone Creation Potential (POCP)

Ergebnisse werden in Kürze vom Öko-Institut e.V. veröffentlicht


Source: Öko-Institut e.V.

Fazit

Pyrometallurgische Behandlung: Stand der Technik zur Rückgewinnung von

Co und Ni Schwierigkeiten mit neueren Materialien wie LiFePO4

Nachhaltigkeit

Hohe Recyclingquoten möglich

Recycling ökonomisch & ökologisch sinnvoll

Lithium rund Übergangsmtealle (Co, Ni) können – auf einer hohen Ebene

in der Wertschöpfungskette - in Batteriequalität wiedergewonnen werden

Stahl, Kupfer und Aluminium können zurückgewonnen werden

Produktionsausschüssse sollten ebenso recycled werden

Ausblick: Elektrolyt Lösungsmittel (und -Salz?) soll recycled werden

Ergebnisse des LCA werden in Kürze vom Öko-Institut e.V. veröffentlicht


Vielen Dank…


… für Ihre Aufmerksamkeit

… an die weiteren - Partner:

… für die Finanzielle Unterstützung vom

Lith Rec

Kontakt:

Christian Hanisch

[email protected]

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