PyroLith – Entwicklung eines stabilen Prozesses auf Basis der Prozessketten Pyrometallurgie-Schlackenaufbereitung-Hydrometallurgie zur Rückgewinnung von Li aus Mn-haltigen Schlacken

Eine Option zum Recycling von Lithium-Ionen-Batterien besteht in einer pyrometallurgischen Verarbeitung ganzer Zellen oder feiner Fraktionen nach Aufbruch der Zellen und Abtrennung massiver Gehäuseteile. Ein Vorteil dieses Prozesses besteht in der hohen Robustheit und der Chance, wechselnde Zellgenerationen auf diesem Wege gemeinsam oder in wechselnden Mischungen verarbeiten zu können. Der im Vorhaben gewählte Ansatz soll für die aktuellen 6-2-2 NMC-Zellgenerationen und im Hinblick auf künftige Zellgenerationen ausgebaut werden. Unter geeigneten Ofenbetriebsbedingungen können Co, Ni, Cu sowie Anteile an Fe und Mn in die Metallschmelze überführt werden. Die C-Träger werden als Reduktionsmittel für die in den Zellen enthaltenden Mischoxide verwendet bzw. verbrannt, F wird in den Staub- und Abgasstrom ausgetrieben. Li und Al lassen sich quantitativ in eine Ca- und Si-haltige Schlacke überführen. Bestimmte Anteile an Mn sowie Fe gelangen ebenfalls in die Schlacke. Während in einem reinen Si-Al-Ca-Li-O-System gezielt LiAlO₂-Kristalle in einer silikatischen Matrix gezüchtet werden können, verschiebt sich in Anwesenheit von Mn das gesamte System. In Abhängigkeit von Elementkomposition, Redoxpotential und Temperaturprofil in der Schmelze und der Abkühlungsphase entstehen unterschiedliche synthetische Mineralphasen, die sich zudem im Hinblick auf ihre Kornstabilität unterscheiden.

Durch entsprechende Aufbereitung sollen diese Wertträger abgetrennt und eine für baustoffliche Anwendungen geeignete verbleibende Restschlacke erzeugt werden. Aus den Vorkonzentraten soll mittels hydrometallurgischer Methoden der Wertstoff, hier zunächst Li, abgetrennt und soweit aufgereinigt werden, dass daraus wieder ein geeigneter Batterierohstoff erzeugt werden kann. Bei der Gesamtprozessentwicklung ist dabei eine ökologische und ökonomische Bewertung vorzunehmen, die im Vergleich zu anderen Prozessrouten Entscheidungs- und Steuerungshilfen liefert, um zu klären, unter welchen Bedingungen und in welchen Ausprägungen der hier entwickelte Ansatz zielführend ist.

In verschiedenen ineinandergreifenden Arbeitspaketen werden sieben aufeinander abgestimmte Ziele verfolgt. Diese befassen sich erstens mit der Entwicklung eines stabilen Prozesses auf Basis der Prozesskette Pyrometallurgie-Schlackenaufbereitung-Hydrometallurgie zur Rückgewinnung von Li, weiteren potentiellen schlackenaffinen Wertträgern und einer verwertbaren Restschlacke. Zweitens wird die Robustheit des Prozesses bei unterschiedlichen und schwankenden Inputmischungen, in dem mindestens Co, Ni, Cu und Li in batteriefähiger Qualität zurückgewonnenen werden können, überprüft. Drittens erfolgt die Ermittlung des Einflusses bestimmter Inhaltsstoffe wie Mn bzw. des Mn/Al-Verhältnisses auf den Phasenbildungsprozess und die Kornstabilitäten. Viertens wird die Entwicklung geeigneter Aufschlussprozesse und möglicher Vorsortierung durch Trenn- und Zerkleinerungsprozesse in Abhängigkeit vom Schlackenaufbau vorgenommen. Fünftens erfolgt die Entwicklung geeigneter Flotationsregime und eine Überprüfung von deren Prozessflexibilität in Abhängigkeit vom Phasenaufbau zur Abtrennung der Li-Träger aus der Schlacke. Sechstens erfolgt eine Überprüfung des Laugungsverhaltens von Li-Träger-Phasen in Abhängigkeit von den Begleitelementen (z.B. Mn). Das siebte Ziel verfolgt die Ableitung von Indikatoren für die ökonomische und ökologische Bewertung der vorgeschlagenen Prozessroute in Abhängigkeit von der Inputzusammensetzung (Zelltypen/- chemien), der Robustheit der Prozesse gegenüber Inputschwankungen und Vergleichen mit anderen Routen.