Umweltfreundliches Recycling von Lithium-Ionen-Batterien

Duesenfeld verbindet in einem patentierten Verfahren mechanische, thermodynamische und hydrometallurgische Prozesse. Das Verfahren erzielt bei geringem Energieaufwand höchste stoffliche Rückgewinnungsraten. Ermöglicht wird das durch eine Prozessführung mit niedrigen Temperaturen, bei der giftige Fluorwasserstoffe nicht entstehen. Eine Abgaswäsche ist im mechanischen Verarbeitungsschritt nicht notwendig. Die Fluoride werden gezielt und sicher in der Hydrometallurgie entfernt.

Duesenfeld betreibt den einzigen Recyclingprozess, der neben den üblichen Metallen auch den Graphit, den Elektrolyten und das Lithium einer stofflichen Verwertung zuführt. Stoffliche Verwertung heißt keine Deklarierung als Baustoff, z.B. für Straßenbau, sondern alle Metalle werden mit hohen Rückgewinnungsraten in Form hochwertiger Sekundärrohstoffe bis hin zu Batteriequalität zurückgewonnen. Die Produktion von Sekundärrohstoffen mit dem Duesenfeld Recyclingprozess spart 8,1 Tonnen CO₂ pro Tonne recycelter Batterien im Vergleich zur Primärgewinnung der Rohstoffe ein³⁾⁴⁾. Im Vergleich zu üblichen Einschmelzprozessen spart das Duesenfeld Verfahren 4,8 Tonnen CO₂ pro Tonne recycelter Batterien ein³⁾⁵⁾, im Vergleich zu mechanischen Verfahren mit Abgaswäsche beträgt die Einsparung 1 Tonne CO₂ pro Tonne recycelter Batterien¹⁾.

CO2 Einsparung im Vergleich — CO₂ Einsparung im Vergleich³⁾ ⁴⁾ ⁵⁾ ⁶⁾

Elektromobilität ist nur mit dem Duesenfeld-Recycling klimafreundlich

CO₂-Einsparungen der Elektromobilität zur Verlangsamung der Erderwärmung dürfen nicht durch ungeeignetes Recycling der Batterien zunichte gemacht werden. Mit dem umweltfreundlichen Verfahren von Duesenfeld entsteht kein CO₂ beim mechanischen Recycling, es müssen keine giftigen Filterstoffe deponiert werden.

Das Duesenfeld Verfahren erzielt bei Lithium-Ionen-Batterien durch mechanische Aufbereitung eine mehr als doppelt so hohe stoffliche Rückgewinnungsrate als herkömmliche Recyclingmethoden. Ergänzt durch hydrometallurgische Prozesse ist ein nahezu vollständiges Recycling möglich. Üblicherweise werden End-of-life-Batterien als Gefahrgut eingestuft und in Batterietransportbehältern transportiert. Durch die mechanische Verarbeitung mit modular aufbaubaren Recyclinganlagen vor Ort wird der Elektrolyt von den übrigen Stoffen getrennt, die entstandenen Produkte benötigen keine speziellen Gefahrguttransportbehälter mehr. Diese Zwischenprodukte werden in Standardbehältnissen transportiert, wodurch pro LKW die 7-fache Menge transportiert werden kann. Durch diese Reduzierung der Gefahrguttransporte wird ein Großteil der gesamten Recyclingkosten der Batterien eingespart.

Unser Fokus liegt auf einer möglichst vollständigen stofflichen Verwertung der Batterien. Duesenfeld erreicht im mechanischen Recycling eine Recyclingquote von 72 %, mit der Aufbereitung der Schwarzmasse in der Duesenfeld Hydrometallurgie erhöht sich die stoffliche Recyclingquote auf 91 %. Lediglich die Separatorfolie und der Schwersiederanteil des Elektrolyten werden momentan nicht zurückgewonnen. Damit geht Duesenfeld weit über die derzeitigen Anforderungen der EU Batterierichtlinie 2006/66/EC hinaus.

Innovative Prozesskette zum Recycling von Lithium-Ionen-Batterien

Die innovative Duesenfeld Prozesskette wurde speziell für Lithium-Ionen-Batterien entwickelt und ist durch umfangreiche Patente geschützt. Durch Duesenfelds einzigartige Kombination aus Entladung, mechanischer Aufbereitung und Hydrometallurgie sowie den Verzicht auf Hochtemperaturprozesse gelingt eine umfassende Kreislaufschließung der Batteriematerialien. Dadurch ist Duesenfeld der Technologieführer im Bereich Lithium-Ionen-Batterierecycling.

Stoffliche Rückgewinnung beim Duesenfeld Recycling — Rückgewinnung beim Duesenfeld Recycling

Entladung

Das Recycling von Lithium-Ionen Batterien beginnt mit der patentierten Tiefenentladung der Batterien und der Nutzung der Energie. Durch die Duesenfeld Tiefenentladung der Batterien wird eine sichere und effiziente Entladung von in Reihe geschalteten Zellen, Modulen oder Packs gewährleistet. Die intelligente Steuerungssoftware ermöglicht eine automatisierte Tiefenentladung der Batterien unabhängig von verschiedenen Faktoren wie dem Ladezustand (State of Charge), der Spannung, des Alters der Batterie oder des Herstellers. Durch die hohe lineare Entladeleistung wird eine große Durchsatzmenge und höchstmögliche Effizienz erreicht. Der zurückgewonnene Strom kann für den Betrieb der Recyclinganlage genutzt oder ins Netz eingespeist werden.

Die Duesenfeld Entladeanlagen garantieren durch permanentes Softwaremonitoring während des Entladeprozesses höchste Sicherheit und Schutz vor Fehlbedienung. Beispielsweise können die angeschlossenen Lithium-Ionen Batterien während des Betriebs sicher und einfach über eine Schnellkontaktierung ausgetauscht werden.

Dank der patentierten Technologie besteht für die nachfolgenden Prozessschritte keine weitere elektrische Gefährdung. Zugleich entfällt die Notwendigkeit von hochvoltgeschultem Personal bei einer anschließenden optionalen Demontage von Lithium-Ionen Batteriepacks.

Die Duesenfeld Entladung von Lithium-Ionen Batterien gewährleistet Mitarbeiterschutz, Prozesssicherheit und eine hohe Effizienz.

Stoffliche Recyclingquoten auf Batteriezellebene im Vergleich ohne Batteriegehäuse, Befestigungssysteme, Verschraubungen, Verkabelungen und Elektronik — Recyclingquoten auf Batteriezellebene im Vergleich ohne Batteriegehäuse, Befestigungssysteme, Verschraubungen, Verkabelungen und Elektronik

Mechanische Aufbereitung

Die mechanische Aufbereitung von Lithium-Ionen-Batterien ist aufgrund des brennbaren Elektrolyten und gefährlicher Inhaltsstoffe eine anspruchsvolle Aufgabe. Zur sicheren Aufbereitung hat Duesenfeld ein Verfahren entwickelt und patentiert, dass die spezifischen Gefahren im Prozess eliminiert.

Nach Entladung und Demontage werden die Batterien unter Inertgasatmosphäre zerkleinert und das Lösungsmittel des Elektrolyten aus dem Zerkleinerungsgut mittels Vakuumdestillation zurückgewonnen. Eine niedrige Prozesstemperatur unterbindet die Bildung toxischer Gase, dadurch ist keine Abgaswäsche notwendig. Das abgetrennte Lösungsmittel hat eine sehr hohe Reinheit, weil Reaktionsprodukte mit Fluorwasserstoff vermieden werden und geht zur weiteren Aufarbeitung in die chemische Industrie.

Trocknener Produktionsausschuß von Elektrodenfolien aus der Batteriezellfertigung kann ebenfalls mit der Anlage verarbeitet werden. Es ist keine Umrüstung notwendig und das zerkleinerte Schreddergut kann ohne Trocknungszeit in den nächstfolgenden Schritt der Sortierung gebracht werden.

Das getrocknete Zerkleinerungsgut wird anhand physikalischer Eigenschaften wie Korngröße, Dichte, magnetischer und elektrischer Eigenschaften in verschiedene Materialfraktionen aufgetrennt, die metallurgisch weiterverarbeitet werden. Die Eisen-, Kupfer- und Aluminiumfraktionen werden etablierten Verwertungswegen zugeführt. Zur Verarbeitung der sogenannten Schwarzmasse, die die Elektrodenaktivmaterialien und das Leitsalz enthält, hat Duesenfeld ein hydrometallurgisches Verfahren entwickelt. Mit diesem patentierten Verfahren werden aus der Schwarzmasse die Metalle Kobalt, Lithium, Nickel und Mangan sowie Graphit zurückgewonnen.

Zurückgewonnener Elektrolyt im Auffangbehälter

Hydrometallurgie

In den meisten derzeit industriellen hydrometallurgischen Prozessen zur Verarbeitung der Schwarzmasse werden lediglich Kobalt und Nickel zurückgewonnen. Lithium, Mangan und Graphit gehen in diesen Prozessen verloren und werden so dem Stoffkreislauf entzogen. Duesenfeld hat ein eigenes Verfahren entwickelt und patentiert, das eine vollständige Kreislaufführung durch die Produktion von Rohstoffen in Batteriequalität der Elektrodenaktivmaterialien ermöglicht.

Eine besondere Herausforderung bei der hydrometallurgischen Verarbeitung der Schwarzmasse ist das fluorhaltige Leitsalz, das bei der nasschemischen Verarbeitung zur Bildung von Fluorwasserstoff führen kann. Durch einen patentierten, spezifischen Vorbehandlungsschritt entfernt Duesenfeld das Fluorid vollständig vor der Laugung, wodurch die Bildung von Fluorwasserstoff sicher verhindert wird. Im Anschluss an die Fluoridentfernung werden die Metalle gelaugt und somit vom Graphit getrennt. Lithium, Kobalt, Nickel und Mangan werden mittels verschiedener Extraktionsverfahren voneinander getrennt, aufgereinigt und in Form von Salzen zurückgewonnen. Die Salze dienen als Ausgangsmaterial für die Produktion neuer Kathodenaktivmaterialien.

³⁾ Screening LCA, Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik iWF, Technische Universität Braunschweig, LCA Duesenfeld Prozess, Prof. Dr. Christoph Herrmann

⁴⁾ Wernet, G., Bauer, C., Steubing, B., Reinhard, J., Moreno-Ruiz, E., and Weidema, B., 2016. The ecoinvent database version 3 (part I): overview and methodology. The International Journal of Life Cycle Assessment, [online] 21(9), pp.1218–1230. Available at: http://link.springer.com/10.1007/s11367-016-1087-8 , Version: Ecoinvent 3.6 cut-off

⁵⁾ Öko-Institut e.V. Ökobilanz LibRi, 2011, Entwicklung eines realisierbaren Recyclingkonzepts für die Hochleistungsbatterien zukünftiger Elektrofahrzeuge – LiBRi https://www.oeko.de/uploads/oeko/oekodoc/1499/2011-068-de.pdf

⁶⁾ Basis: Um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten wurden für die Berechnungen ³⁾ die gleichen Annahmen getroffen wie bei Berechnung ⁵⁾, inkl. Lithium Rückgewinnung und Verwertung Batteriegehäuse. Generische Batteriezusammensetzung laut LCA Umbrella Gruppe aus den Projekten LiBRi/LithoRec. Beide Recycling Verfahren sind ohne CO₂ Rucksack (Prinzip der ersten Verantwortung) aus primärer Rohstoffgewinnung gerechnet.