Recycling von Lithium-Ionen-Akkus

Beim Recycling von Lithium-Ionen-Akkus (Li-Ion) werden die gebrauchten Akkus gesammelt und sortiert, aus Sicherheitsgründen entladen und anschließend zerlegt, um die Komponenten voneinander zu trennen. Die Zellen werden zerkleinert und geschreddert, das resultierende Material wird gesiebt und sortiert, um wertvolle Elemente zu isolieren. 

Die feine pulverförmige Substanz, die beim Zerkleinern und Sieben entsteht, wird als „schwarze Masse“ bezeichnet. Sie enthält wertvolle Metalle wie Lithium, Kobalt, Nickel und Mangan. Diese schwarze Masse wird durch hydrometallurgische Verfahren (z. B. Laugung, Lösungsmittelextraktion und Fällung) oder pyrometallurgische Verfahren (z. B. Schmelzen und Raffinieren) weiterverarbeitet, um diese Metalle zurückzugewinnen. 

Effizientere Recyclingmethoden umfassen häufig hybride Ansätze, bei denen die Pyrometallurgie mit der Hydrometallurgie kombiniert wird. Die zurückgewonnenen Metalle werden dann wiederverwendet, um Elektrodenmaterialien für neue Akkus herzustellen.

Das Recycling schwarzer Masse kann jedoch eine Herausforderung darstellen – zum Teil weil nicht alle Lithium-Ionen-Akkus gleich sind. Es gibt zwei hauptsächliche Arten der chemischen Zusammensetzung – NMC (Nickel, Mangan, Cobalt) und LMFP (Lithium, Mangan, Eisenphosphat). Bei den NMC-Akkus gibt es die Varianten NCM111, NMC622, NMC811 usw., wobei die Zahl den relativen Atomprozentsatz jedes Elements angibt. Ebenso können LMFP-Akkus eine variable Menge an Mangan aufweisen. Die unterschiedliche chemische Zusammensetzung macht es erforderlich, dass die schwarze Masse vor dem Recycling korrekt bestimmt und bewertet wird.

Die unterschiedliche chemische Zusammensetzung bedeutet, dass es beim Recycling von Lithium-Ionen-Akkus oft nur eine begrenzte Kontrolle über die eingehenden Akkutypen gibt. Daher muss jeder Vorbehandlungsprozess beim Recycling von Akkus eine Bewertung der chemischen Zusammensetzung der eingehenden Akkus umfassen. Unsere röntgen- und neutronenbasierten Lösungen können Sie bei diesem Prozess unterstützen – sowohl bei der Bestimmung der chemischen Zusammensetzung als auch bei der Analyse kristalliner Phasen. 

Darüber hinaus kann die Effizienz des hydrometallurgischen Laugungsprozesses mit unseren Online- und laborbasierten RFA-Lösungen einschließlich der Analyse von enthaltenen Verunreinigungen bewertet werden. Zudem können unsere Partikelgrößenmessgeräte verwendet werden, um die Partikelgröße während des Recyclingprozesses von der schwarzen Masse bis zum fertigen Produkt zu bestimmen.

Die Elementarzusammensetzung der extrahierten schwarzen Masse kann online mit unserem CNA-Cross-Belt-Analysator oder offline mit unserem Sortiment für RFA-Systeme analysiert werden. 

Online-Cross-Belt-Elementaranalyse: Die variable chemische Zusammensetzung von recycelten Akkus bedeutet, dass die extrahierte schwarze Masse ein heterogenes Material ist, wodurch die Laboranalyse einer kleinen Probe nicht repräsentativ für den Großteil des Materials ist. Online-Cross-Belt-Analysatoren können die im industriellen Maßstab extrahierte schwarze Masse analysieren und so eine durchschnittliche Zusammensetzung des gesamten Materials ermitteln. Unser Cross-Belt-Analysator CNA Pentos basiert auf der schnellen thermischen Aktivierung mit gepulsten Neutronen (PTFNA) und austauschbaren Neutronen und ermöglicht die direkte Massenmessung aller Schlüsselelemente wie Ni, Co, Mn, Fe, P usw. in der eingehenden schwarzen Masse. 

CNA bietet eine hochfrequente Online-Elementaranalyse des Schüttguts auf dem Band. Eine Probenahme ist nicht erforderlich, da das Material in Echtzeit auf dem Förderband untersucht wird. Die kompakte und robuste Konstruktion befindet sich vollständig unter dem Band – die bei der Extraktion von schwarzer Masse üblichen Schwankungen der Bandbeladung und Partikelgröße wirken sich nicht auf die Leistung des Systems aus. Dieses wichtige Konstruktionsmerkmal trägt zur Stabilität und Repräsentativität für eine effiziente Prozesssteuerung bei.

Röntgenfluoreszenz (RFA) ist eine weitere Technik, die zur Analyse der schwarzen Masse im Labor oder in der Nähe des Prozesses eingesetzt werden kann. Röntgenfluoreszenz (XRF) unterstützt den Batterierecyclingprozess erheblich, indem sie eine schnelle und genaue Analyse der Elementzusammensetzung gebrauchter Batterien mit hoher Präzision ermöglicht. Seine hohe Präzision ermöglicht es Recyclern, wertvolle Materialien wie Lithium, Kobalt, Nickel und Mangan zu identifizieren und zu quantifizieren und so den Rückgewinnungsprozess zu optimieren. Es kann auch die Qualität der zurückgewonnenen Materialien überwachen und sicherstellen, dass sie den Spezifikationen für die Wiederverwendung entsprechen. Darüber hinaus erkennt RFA gefährliche Elemente und erleichtert so die sichere Handhabung und Entsorgung.

Für die Hauptelemente bietet die RFA eine einfachere und genauere Methode zur Messung der Elementzusammensetzung als ICP, da keine Probenverdünnung oder Säureaufschluss erforderlich ist.

Viele führende Batterieunternehmen verwenden unsere Epsilon 4 EDXRF- oder Zetium WDXRF-Tischspektrometer zur Analyse ihrer recycelten Materialien. Wir haben außerdem die Hochleistungs-EDRFA-Reihe von Revontium eingeführt, mit der Elemente und Verunreinigungen in schwarzer Masse mit hoher Genauigkeit und Präzision analysiert werden können.

Die Genauigkeit einer RFA-Analyse hängt von der Qualität der Kalibrierstandards ab. Malvern Panalytical hat eigene zertifizierte Kalibrierstandards entwickelt, die zusammen mit den Probenfusionssystemen Eagon 2 oder FORJ ein perfektes Rezept für die genaue quantitative Elementaranalyse bieten. 

Abbildung 1 (rechts): Eine typische Ni-Kalibrierlinie unter Verwendung unserer NCM-Referenzstandards, die mit unserem Spektrometer Epsilon 4 RFA gemessen wurden. 

Die Analyse der Elementarzusammensetzung der Laugen in der hydrothermalen Extraktion kann wertvolle Informationen über die Effizienz der Metallextraktion liefern. Eine solche Analyse kann mit unserer Xflow-Reihe an RFA-Analysatoren durchgeführt werden. 

Die Online-Flüssigkeitsanalyse mit dem Epsilon Xflow ermöglicht eine schnelle und genaue Kontrolle Ihrer Prozessparameter. 

Der Epsilon Xflow bietet Dateneinblicke in Echtzeit, die es Ihnen ermöglichen, Ihre Produktionsprozesse effizienter zu verwalten und Ihre Betriebskosten zu senken.

Der Vorbehandlungsprozess des Recyclings von Akkus kann auch von der kristallinen Phase der Akkumaterialien beeinflusst werden. Und bei der Analyse kristalliner Phasen ist die Röntgendiffraktion die Methode der Wahl. Unser kompaktes Röntgendiffraktometer Aeris – ein einfach zu bedienendes Gerät mit hervorragender Datenqualität – kann zur genauen Analyse der Zusammensetzung der kristallinen Phase in schwarzer Masse und Akkumaterialien verwendet werden. 

Abbildung 2: Typische Röntgendiffraktionsanalyse kristalliner Phasen von schwarzer Masse, gemessen mit unserem Diffraktometer Aeris.

Partikelgröße und -form spielen eine wichtige Rolle in der gesamten Wertschöpfungskette des Akku-Recyclings von der schwarzen Masse bis zum fertigen Ausgangsmaterial. Schwarze Masse muss auf eine bestimmte Partikelgröße gemahlen werden, um eine effiziente Auslaugung der Metalle während der hydrothermalen Extraktion zu gewährleisten. 

Viele Recycling-Unternehmen stellen Akkuvorläufer oder Elektrodenmaterialien als Endprodukt her, wobei Partikelgröße und -form als kritische Qualitätsparameter genutzt werden.