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 den Verzicht auf das überwiegend angewendete Einschmelzen im Batterierecycling.

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 ein1)2). Im Vergleich zu üblichen Einschmelzprozessen spart das Duesenfeld Verfahren 4,8 Tonnen CO2 pro Tonne recycelter Batterien ein1)3).

CO2 Einsparung im Vergleich
CO2 Einsparung im Vergleich1) 2) 3) 4)

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. Der mechanische Recyclingprozess kann sowohl stationär als auch mobil an Sammelstellen in 40-Fuß-Containern betrieben werden. Üblicherweise werden End-of-life-Batterien als Gefahrgut eingestuft und in Batterietransportbehältern transportiert. Durch die mechanische Verarbeitung vor Ort wird der Elektrolyt von den übrigen Stoffen getrennt, die entstandenen Produkte benötigen keine speziellen Batterietransportbehälter 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.

Stoffliche Rückgewinnung beim Duesenfeld Recycling
Stoffliche Rückgewinnung beim Duesenfeld Recycling

Unser Fokus liegt auf einer möglichst vollständigen stofflichen Verwertung der Batterien. Duesenfeld erreicht im mechanischen Recycling eine stoffliche 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.

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

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 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.

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. Das abgetrennte Lösungsmittel geht zur weiteren Aufarbeitung in die chemische Industrie.

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 Cobalt, Lithium, Nickel und Mangan sowie Graphit zurückgewonnen.

Zurückgewonnener Elektrolyt im Auffangbehälter
Zurückgewonnener Elektrolyt im Auffangbehälter

Hydrometallurgie

In den meisten derzeit industriellen hydrometallurgischen Prozessen zur Verarbeitung der Schwarzmasse werden lediglich Cobalt 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.

Zurückgewonnener Graphit
Zurückgewonnener Graphit

Eine besondere Herausforderung bei der hydrometallurgischen Verarbeitung der Schwarzmasse ist das fluorhaltige Leitsalz, das bei der nasschemischen Verarbeitung zur Bildung von Flusssäure führen kann. Durch einen patentierten, spezifischen Vorbehandlungsschritt entfernt Duesenfeld das Fluorid vollständig vor der Laugung, wodurch die Bildung von Flusssäure sicher verhindert wird. Im Anschluss an die Fluoridentfernung werden die Metalle gelaugt und somit vom Graphit getrennt, der einer stofflichen Verwertung zugeführt wird. Lithium, Cobalt, 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.


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

2) 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

3) 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

4) Basis: Um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten wurden für die Berechnungen 1) die gleichen Annahmen getroffen wie bei Berechnung 3), incl. 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.