Nachhaltige Rückgewinnung von kritischen Metallen aus Lithium-Ionen-Batterien

Aufgrund dieser Problemstellung erfolgt die Diskussion über die Sicherheit der notwendigen Rohstoffversorgung, die ökologischen und sozialen Auswirkungen der Produktion und das verantwortungsvolle Recycling von Altbatterien. Neben den Basismetallen wie Eisen, Aluminium, Kupfer, Mangan und Nickel enthalten LIBs auch kritische Rohstoffe wie Kobalt, Lithium sowie Graphit.

Die Herstellung einiger dieser Materialien kann mit gravierenden ökologischen und sozialen Auswirkungen verbunden sein. Außerdem dominieren bei gewissen Rohstoffen einige wenige Produzenten die Märkte. In Anbetracht dieser Entwicklungen ist das Recycling von LIBs ein Schlüsselfaktor, um den Übergang zu erneuerbaren Energien nachhaltig zu gestalten. Um einen geschlossenen Kreislauf für LIBs zu gewährleisten, begannen umfangreiche Forschungsaktivitäten vor etwa fünfzehn Jahren.

Mehrere Bemühungen führten zur Entwicklung verschiedener Recyclingprozesse, die in einigen wenigen, wegweisenden Industrieanlagen realisiert wurden. All diese entwickelten Prozessrouten zeichnen sich durch lange und komplexe Prozessketten aus und nutzen Kombinationen aus mechanischer und/oder thermischer und/oder pyrometallurgischen und hydrometallurgischen Verfahrensschritten. Diese gewinnen darüber hinaus meist nur einen Teil der Elemente zurück. Ziel der weiteren Forschungs- und Entwicklungsarbeiten muss dementsprechend ein Trend zu nachhaltigeren Technologien und Prozesskombinationen sein.

Im Rahmen der Forschungsarbeit konnte eine neue Kombination von Verfahrensschritten erarbeitet werden, welche eine selektive Rückgewinnung eines Kobalt-Nickel-Mischproduktes und des Lithiums ermöglichen, während die Entfernung von vorhandenen Verunreinigungen in definierten Fällungsschritten stattfindet. Dieser Prozess zeichnet sich vor allem durch die Spezifizierung von optimierten Parameterkombinationen in den einzelnen Laugungs- und Fällungsschritten aus, wodurch eine bestmögliche Rückgewinnung der Wertmetalle gewährleistet wird. In weiterer Folge soll eine Vertiefung in das Recycling von kritischen Elementen wie Kobalt, Lithium und Graphit erfolgen, da diese aktuell keinem stofflichen Rückgewinnungsprozess zugeführt und somit dem Materialkreislauf entzogen werden. Der Einsatz von innovativen Ansätzen wie z. B. der Prozess der Biolaugung eröffnen neue Möglichkeiten zur Reduktion des Behandlungsaufwandes und minimieren die schädlichen Umwelteinflüsse (z. B. Abwasser und Abgase) dieses Prozessschrittes.

Wie bereits dargestellt, enthalten LIBs verschiedene metallische und nicht-metallische Komponenten. Derzeit konzentrieren sich viele Prozesse aus wirtschaftlichen und thermodynamischen Gründen auf die hohen Rückgewinnungsraten von Kobalt, Nickel und Kupfer. Das Recycling von Lithium ist trotz seines wirtschaftlichen Wertes und politischen Interesses aus thermodynamischer Sicht immer noch eine Herausforderung. Die Rückgewinnung von Aluminium und Mangan stehen weniger im Fokus, wobei Aluminium teilweise in vorgeschalteten mechanischen Prozessen separiert wird.

Bisher lassen sich auch nichtmetallische Bestandteile wie Graphit und die Lösungsmittel des Elektrolyten bis auf wenige Ausnahmen nicht zurückgewinnen. Abhängig von der zukünftigen Gesetzgebung wird aber das Recycling dieser nichtmetallischen Anteile von Interesse sein, um die geforderten massenspezifischen Rückgewinnungsraten einzuhalten, insbesondere bei Batteriechemien mit geringen Co- und Ni-Gehalten. Im Zuge dessen hätte das Recycling von bislang nicht verwertbaren Bestandteilen aus Lithium-Ionen-Batterien eine zentrale Bedeutung, da in vielen Fällen kein wirtschaftliches oder technisch realisierbares Verwertungsverfahren zur Verfügung steht. Diese Materialien werden demnach entsorgt und somit dem Wertstoffkreislauf entzogen. Die Erarbeitung bzw. Optimierung von Verfahrensrouten, welche eine gezielte Rückführung von relevanten Komponenten im Rahmen der Kreislaufwirtschaft ermöglicht, bedarf daher intensiven Forschungs- und Entwicklungsbedarf. Das Ziel dieses Projektes stellt somit die Erarbeitung von Recyclingprozessen für eine simultane Aufarbeitung von Bestandteilen aus Lithium-Ionen-Batterien dar, mit einem besonderen Fokus auf die Rückgewinnung von Graphit und Lithium, welche derzeit mangels geeigneter Behandlungsmethoden häufig entsorgt werden.

Zusätzlich soll auch die Rolle des Mangans im Recyclingprozess Beachtung finden, da auch dieser Batterierohstoff im Rahmen der massenabhängigen Recyclingquoten in den Fokus der Forschung rücken muss. In diesem Zusammenhang wurde Mangan auch seit der Entstehung der Liste kritischer Rohstoffe für die EU vor kurzem erstmals erwähnt, da die Weltbank eine Nachfrageexpansion in Batterierohstoffen prognostiziert.