Mechanochemisch induziertes Recycling von Lithium-Ionen-Batterien

Ausgediente Lithium-Ionen-Batterien haben einen hohen Ressourcenwert in Anbetracht knapper Rohstoffe. Sie enthalten wertvolle Materialien, die mit konsequentem Recycling einer erneuten Verwendung zugeführt werden könnten. Die zunehmende Nutzung dieser Batterien erfordert rentable und ökologisch unbedenkliche Recyclingtechnologien.

Stand der Technik

Die Rückgewinnung von Lithium ist derzeit noch teuer und wenig ertragreich. Ein gängiges Verfahren ist die Pyrometallurgie, bei der demontierte und zerkleinerte Batterien bei über 1000 Grad Celsius unter Sauerstoff-Ausschluss geschmolzen werden. Wertmetalle werden anschließend in den dabei entstehenden Legierungen in einer mehrstufigen Laugung (Leaching) abgetrennt. Mit der nicht recycelbaren Schlacke und dem Rauchgas gehen Lithium und Graphit teilweise verloren. In der Hydrometallurgie werden Batteriebestandteile ebenfalls mit starken Säuren und Basen abgetrennt. Beide Technologien haben gemein, dass sie schädliche Nebenprodukte hinterlassen und korrosive Reagenzien nutzen.

Technologie

Forschende am Institut für Angewandte Materialien (IAM-ESS) haben einen nachhaltigeren Ansatz zur Gewinnung von Lithium und Übergangsmetallen aus Batterien entwickelt. Dabei wird durch Hochenergie-Kugelmahlen bei Raumtemperatur eine chemische Reaktion zwischen Kathodenmaterialien und Aluminium als Reduktionsmittel mechanochemisch eingeleitet Bei der Reduktionsreaktion entstehen wasserlösliche lithium- und aluminiumhaltige Reaktionsprodukte, die anschließend ausgewaschen werden. Nach Eindampfen der wasserlöslichen Fraktion erfolgt die Trennung des Lithiumcarbonats vom Aluminiumoxid durch Erhitzen nochmaliger Waschung. Übergangsmetalle wie Kobalt und Nickel liegen als festes, feinpulvriges Metallkomposit vor und lassen sich bereits in verdünnten Mineralsäuren bei Raumtemperatur auflösen, ohne dass zusätzliche Reduktionsmittel erforderlich sind. In einem abgewandelten Verfahren kann durch Zuführung einer Carbonatquelle bereits bei der ersten Waschung überwiegend wasserlösliches Lithiumcarbonat erzeugt werden.

Vorteile

Das entwickelte Verfahren ist daher nicht nur umweltfreundlich, wirtschaftlich und energetisch effizient, sondern auch universell einsetzbar für gängige Kathodenmaterialien (NMC, LCO, LMO, LFP). Das einfache Verfahren ermöglicht die Rückgewinnung wertvoller Batteriebestandteile und erreicht Ausbeuten bis zu 70 Prozent für Lithium und über 90 Prozent für Übergangsmetalle.

Optionen für Unternehmen

Da das Verfahren zunächst im Labormaßstab mit Mengen bis zu 10 Gramm entwickelt wurde, sucht das KIT aktiv nach Partnern zur Weiterentwicklung und Skalierung.