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Mit dem wachsenden Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) in Elektrofahrzeugen, tragbaren Geräten und stationären Energiespeichern steigt sukzessive auch das Aufkommen ausgedienter Batterien weltweit rapide an. Nach Berechnungen des Fraunhofer ISI wird die Menge der zu recycelnden Batterien allein in Europa bereits im Jahr 2030 eine Menge von 420 Kilotonnen pro Jahr erreichen – Tendenz steigend.
Gleichzeitig steigt der Druck durch umweltpolitische Reglementierungen. So fordert die EU-Batterieverordnung sukzessiv strengere Recyclingquoten und künftig auch den Einsatz von recycelten LIB-Materialien in der Herstellung neuer Batterien, um die Nachhaltigkeit zu fördern. Bis 2031 muss beispielsweise eine Rückgewinnungsquote von Lithium von über 80 Prozent erreicht werden. Bei Kobalt, Kupfer und Nickel ist die Quote mit 95 Prozent noch strenger.
Um diese Quoten zu erreichen sind robuste, ökonomische und ökologisch sinnvolle Verfahren und Anlagen notwendig. Zwar sind die grundsätzlichen Recyclingrouten inzwischen verstanden. Jedoch besteht noch immer ein enormer Entwicklungsbedarf, um die entsprechenden Prozesse zu verbessern und im industriellen Maßstab umzusetzen.
Gemeinsames Forschungsprojekt
Vor diesem Hintergrund untersucht das Institut für Metallurgische Prozesstechnik und Metallrecycling (IME) der RWTH Aachen University im Forschungsprojekt „ProMotion“ gemeinsam mit dem Unternehmen Gebrüder Lödige Maschinenbau (als Projektkoordinator) den Einsatz eines neuen Prototypen-Reaktors zur verbesserten thermischen Vorbehandlung von LIB, genauer: von EoLLIB-Materialien (End-of-Life Lithium-Ion Batteries).
Das durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Projekt ist am 1. Januar 2025 gestartet und auf zwei Jahre angelegt. Begleitet wird es durch das Öko-Institut, das eine Ökobilanz der erreichten Verbesserung nach den Vorgaben der Normen DIN EN ISO 14040/44 durchführen wird.
Das wesentliche Ziel des Vorhabens besteht darin, eine deutliche Prozessoptimierung und somit auch eine signifikante Erhöhung der Rückgewinnungsquoten der in LIB enthaltenen kritischen Rohstoffe wie Lithium und anderer wertmetallhaltiger Verbindungen zu erreichen. Am Ende des Projekts soll – im Sinne des BMBF-Dachkonzepts Batterieforschung – ein Skalierungskonzept zum Einsatz des Prototypen-Reaktors im industriellen Maßstab stehen.
Technologische Herausforderungen
Schon heute bestehen für das Recycling von LIB unterschiedliche pyrometallurgische, hydrometallurgische und mechanische Recyclingrouten. Bisherige wissenschaftliche Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass Aktivmasse- und Folienfraktionen aus herkömmlichen Batch-Reaktoren und Drehrohraggregaten nicht vollständig thermisch umgesetzt werden können oder diverse anlagentechnische Einschränkungen auftreten. Dies beeinträchtigt die Effizienz der Recyclingverfahren von LIB.
Das „ProMotion“-Forschungsprojekt konzentriert sich in diesem Zusammenhang auf eine thermische Vorbehandlung von unterschiedlichen Batteriefraktionen. Ziel dieses für die gesetzten Recyclingquoten erfolgsrelevanten Prozessschritts ist die Entfernung von organischen Bestandteilen sowie die Bildung löslicher und im Anschluss gut abtrennbarer Li-Verbindungen.
Der Prozess steht am Anfang der Recyclingkette nach der Entladung und Zerkleinerung der Batteriemodule beziehungsweise -zellen. Im häufigsten Fall folgt eine hydro- oder pyrometallurgischen Behandlung der Aktivmasse. Es gibt verschiedene Optionen für die thermische Konditionierung von LIB, darunter die Verbrennung, die Vakuumtrocknung (zur Deaktivierung brandgefährlicher Elektrolyte) und die Pyrolyse. Letztere steht im Fokus des „ProMotion“-Projekts.
Pyrolyse
Bei der Pyrolyse wird das Material unter Abwesenheit von Sauerstoff – diese wird entweder über den Einsatz inerter Atmosphären oder unter Vakuum erzielt – bis zur Zersetzung von organischem Bindemittel, Separator und Elektrolyten erhitzt. Deren Zersetzungsprodukte können dann über das Abgas abgetragen werden.
Das Entfernen der organischen Bestandteile sorgt damit zum einen für eine Verbesserung der Delaminierung von Stromableiterfolien, was eine sortenreine Gewinnung von Kupfer- und Aluminiumfolien sowie eine hohe Ausbeute der Aktivmasse fördert. Zum anderen können höhere Laugungseffizienzen bei nachfolgenden hydrometallurgischen Prozessschritten und eine bessere Kinetik erzielt werden, da der Kontakt zwischen Laugungsmittel und Aktivmasse nicht durch organische, meist unlösliche Phasen, beeinträchtigt ist. Das Prozesstemperaturfenster bewegt sich hierbei in der Regel zwischen 500 °C und 600 °C, also unterhalb des Schmelzpunktes von Aluminium, da ein Aufschmelzen nachfolgende mechanische Trenn- und Aufbereitungsschritte beeinträchtigen würde.
Versuche in eigens entwickeltem Reaktor
Die hohen Temperaturen, aber auch weitere charakteristische Rahmenbedingungen wie korrosive und potenziell gefährliche Stoffe und Abgase stellen bei der Pyrolyse komplexe Anforderungen an die dafür eingesetzten Aggregate beziehungsweise Reaktoren. Zudem ist eine gleichmäßige Durchdringung des Materials mit gleicher Temperatur sowie eine homogene Benetzung mit eingestellten Prozessgasen erforderlich.
Tatsächlich fehlte es bisher an geeigneten Lösungen für eine vollständige thermische Konditionierung von LIB-Materialien, gerade auch im größeren Maßstab. Lödige Maschinenbau – ein weltweit führender Anbieter von Mischern, Coatern, Granulatoren, Trocknern und Reaktor-Systemen – begegnet dieser Herausforderung mit einem eigens entwickelten Prototypen-Reaktor. Dieser wird nun – als Pilotanlage im Labormaßstab – für die Versuchsreihen im Rahmen des „ProMotion“-Projektes genutzt und dabei auf eine spätere großtechnische Skalierung und Automatisierung hin angepasst.
Anders als herkömmliche Pyrolysereaktoren (wie Drehrohr- oder statische Reaktoren) arbeitet die in Aachen eingesetzte Maschine nach dem von Lödige Maschinenbau in die Mischtechnik eingeführten Schleuder- und Wirbelverfahren. In einer horizontalen, zylindrischen Trommel rotieren wandnah Mischwerkzeuge, deren Umfangsgeschwindigkeit und geometrische Form so konstruiert sind, dass sie die Mischkomponenten gegen die Gravitationskraft aus dem Produktbett radial in den freien Mischraum schleudern und gleichzeitig in axialer Richtung bewegen. Dabei sind die Mischelemente so ausgeformt und angeordnet, dass sowohl ein sicherer Produkttransport aber auch eine ausreichende Rückvermischung gewährleistet wird. Dieses so erzeugte „mechanische“ Wirbelbett bewirkt unter ständiger Erfassung der gesamten Mischgutmenge die intensivste Vermischung auch bei hohen Mischgutdurchsätzen und kurzen Verweilzeiten.
Erstes Fazit und Ausblick
Die RWTH-Forscher haben den Protopyen-Reaktor im ersten Jahr des „ProMotion“- bereits rund 600 Betriebsstunden lang störungsfrei für Versuche genutzt. Dabei bestückten sie diesen sowohl mit ungesiebter Schredderfraktion als auch mit fein gesiebter Schwarzmasse und mit Grobfraktion aus NMC- und LFP-Batterien. Jetzt, zur Projekt-Halbzeit, erweist sich das hier erstmals erprobte Verfahren einer „mischenden Pyrolyse“ als gut geeignet zur thermischen Vorbehandlung von EoLLIB-Materialien unterschiedliche Zellchemien. Denn es verbindet die genuinen Vorteile von Pyrolyse und Mischen.
So entstehen weniger Anhaftungen an der Reaktorwand als etwa in einem Drehrohrreaktor und auch die Homogenität erhöht sich deutlich. Darüber hinaus schafft das Schleuder- und Wirbelverfahren größere Gas-Feststoff-Austauschflächen als in einem statischen Reaktor. Weiterhin sorgt es für ein homogenes Heizprofil in der Schüttung auch bei größeren Mengen, was eine spätere Skalierung möglich macht. Weitere positive Effekte sind kürzere Prozesszeiten zur Erreichung der gewünschten Kerntemperatur und somit verbesserte Laugungseffizienzen bei der Li-Rückgewinnung oder in der nachfolgenden Wasserlaugung.
Diese spezielle Form der Pyrolyse stellt damit eine effektive und gut skalierbare Methode dar, um organische Komponenten zu zersetzen und entfernen sowie lösliche und im Anschluss gut abtrennbare Li-Verbindungen zu bilden. Die anschließenden hydrometallurgischen Prozesse werden durch Effekte wie eine bessere Benetzbarkeit und feinere Partikelgröße der Schwarzmasse positiv beeinflusst.
Die Qualität des Recyclinggutes, die Rückgewinnungsquote an werthaltigen Materialien und die Laugungsausbeute werden jeweils signifikant verbessert Gleichzeit läuft der Pyrolyse-Prozess erheblich schneller ab als im statischen Verfahren: Das Produkt ist bereits nach weniger als 30 Minuten (anstelle von 1,5 bis 2 Stunden) vollständig pyrolisiert.
In der zweiten Projekt-Halbzeit soll nun ein Konzept zur Industrialisierung und Skalierung des Protypen-Reaktors erarbeitet und unter wirtschaftlichen wie ökologischen Aspekten betrachtet werden. Dafür wird die Maschine aktuell anhand der bisherigen Erkenntnisse konstruktiv angepasst und entsprechend umgebaut.
