recycling von lithium-ionen-batterien · lithium hydrometallurgie schichtstrukturen spinel-struktur...
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Christian Hanisch
Institut für Partikeltechnik, TU Braunschweig
Recycling von Lithium-Ionen-Batterien
Materialkreislauf einer Traktionsbatterie
10. November 2011 | Christian Hanisch | Seite 2
Zellen
BMS
Batteriesystem
Komponenten Aufbereitung
Mobile Nutzung
Bewertung
Separation
Stationäre Weiterverwendung
Quelle: Gunnar Bärwald, Niedersächsisches Forschungszentrum Fahrzeugtechnik
Entwicklung des Altbatterieaufkommens
aus der Elektromobilität in Deutschland
10. November 2011 | Christian Hanisch | Seite 3
Source: Claas Hoyer, Institute of Automotive Management and Industrial Production, TU Braunschweig
Traktionsbatterie
10. November 2011 | Christian Hanisch | Seite 4
Batterie Exemplarische Materialkosten
einer Batteriezelle
Source: Aufbau einer Li-Ionen Batterie (Li-Tec Battery GmbH, 2009) Source: Costs of Lithium Ion Batteries for Vehicles (Argonne National Laboratory, 2000)
Zelle
Elektrode
Aufbau Batteriezelle
Quelle: eigen und Degussa
Al
Kathode
Cu
Anode
+
e
e
e
e
e
e
e eV
e Elektronenfluss bei Entladung
Lithium-Metall-Oxid
Separator
Elektrolyt
Stromsammler
Leitfähigkeitsruß
Lithium-Ion (Li+)
Kohlenstoff Schicht
Ionenfluss bei Entladung
Ionenfluss bei Ladung
Al
Kathode
Cu
Anode
+
e
e
e
e
e
e
e eV
Al
Kathode
Cu
Anode
++
e
e
e
e
e
e
e eV
e Elektronenfluss bei Entladungeee Elektronenfluss bei Entladung
Lithium-Metall-Oxid Lithium-Metall-Oxid
SeparatorSeparator
ElektrolytElektrolyt
StromsammlerStromsammler
LeitfähigkeitsrußLeitfähigkeitsruß
Lithium-Ion (Li+)Lithium-Ion (Li+)
Kohlenstoff SchichtKohlenstoff Schicht
Ionenfluss bei Entladung Ionenfluss bei Entladung
Ionenfluss bei Ladung Ionenfluss bei Ladung
Anode Kathode
Al
Kathode
Cu
Anode
+
e
e
e
e
e
e
e eV
e Elektronenfluss bei Entladung
Lithium-Metall-Oxid
Separator
Elektrolyt
Stromsammler
Leitfähigkeitsruß
Lithium-Ion (Li+)
Kohlenstoff Schicht
Ionenfluss bei Entladung
Ionenfluss bei Ladung
Al
Kathode
Cu
Anode
+
e
e
e
e
e
e
e eV
Al
Kathode
Cu
Anode
++
e
e
e
e
e
e
e eV
e Elektronenfluss bei Entladungeee Elektronenfluss bei Entladung
Lithium-Metall-Oxid Lithium-Metall-Oxid
SeparatorSeparator
ElektrolytElektrolyt
StromsammlerStromsammler
LeitfähigkeitsrußLeitfähigkeitsruß
Lithium-Ion (Li+)Lithium-Ion (Li+)
Kohlenstoff SchichtKohlenstoff Schicht
Ionenfluss bei Entladung Ionenfluss bei Entladung
Ionenfluss bei Ladung Ionenfluss bei Ladung
Entladen
Gehäuse
Separator
Elektrolyt
10. November 2011 | Arno Kwade| Seite 5
Zusammensetzung einer Traktionsbatterie
Batteriesystem Batteriezellen Elektroden Stromsammlerfolie
+ Aktivmaterial
10. November 2011 | Christian Hanisch | Seite 6
Zusammensetzung einer Traktionsbatterie
10. November 2011 | Christian Hanisch | Seite 7
Batteriesystem-Ebene:
50-70% Batteriezellen weitere Behandlung (nächste Folie)
15-45% Gehäuse Verhüttung Stahl, Aluminium
2-6% Kabel Separation Verhüttung Kupfer, Plastik
2-3% Elektronik, Platinen Separation Eisen, Kupfer Aluminium, Rest
0-3% Kühlrohre, Gehäuse Teile Granulation Plastik
0-3% Stromleitschienen Separation Kupfer, Plastik
1-2% Schrauben, Metallteile Wiederverwertung,
Umschmelzen Eisen
<1% Rubber, Tape, etc. Abfall
Zusammensetzung einer Traktionsbatterie
10. November 2011 | Christian Hanisch | Seite 8
Batteriezell-Ebene:
ca. 65% Elektroden Weitere Behandlung (nächste Folie)
10-15% Stahl / Aluminium Gehäuse Verhüttung Al, Stahl
10-20% Elektrolyt Rückgewinnung Wertvolle Lösungsmittel,
Elektrolyt-Salz
Verbrennung?
2 - 5% Weitere Teile Einschmelzen Stahl, Kupfer, Aluminium
ca.3% Separator/Folien Verbrennung
Zusammensetzung einer Traktionsbatterie
10. November 2011 | Christian Hanisch | Seite 9
Elektroden-Ebene:
10% Kupfer Folie Brikettierung Verhüttung
5% Aluminium Folie Brikettierung Verhüttung
20% Beschicht. Anode Hydrometallurgie Lithium, Organischer Rückstand
30% Beschicht. Kathode Hydrometallurgie Lithium
und
Übergangsmetallsalzlösung (Ni, Co, Mn)
Neue Aktivmaterialien
Fällung
Grundoperationen des Batterie-Recyclings
10. November 2011 | Christian Hanisch | Seite 10
Mechanische Behandlung Hydrometallurgie Pyrometallurgie
Zerkleinern
(e.g. Brechen, Shreddern)
Klassieren
(e.g. Sieben, Sichten)
Sortieren
(e.g. Magnetseparation)
Einschmelzen der
kompletten Batterie
Zellen
Elektroden
Aktivmaterialien
Rückgewinnung von
Übergangsmetallen Co,
Ni
Chemische Prozesse
Laugen
Extraktion
Kristallisation
Fällung
Rückgewinung reiner
Metalle aus
Aktivmaterialien
Schlacke
Prozess-Routen
10. November 2011 | Christian Hanisch | Seite 11
Aktivematerial Co, Ni
Cu, Al
Gehäuse,
Elektrolyte
Mechanische Behandlung Pyrometallurgie
Batterie / Batteriezellen
Motivation Hydrometallurgie
10. November 2011 | Christian Hanisch | Seite 12
1. Generation Lithium-Ionen Batterie
Kobalt, Nickel Pyrometallurgie
Lithium Hydrometallurgie
Abb.: Garche, Jürgen. ELEKTROMOBILITÄT- Brennstoffzellen und Batterietechnologie.),
Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW).
2. Generation Lithium-Ion Batterie
Kein Kobalt, Kein Nickel
Lithium Hydrometallurgie
Schichtstrukturen Spinel-Struktur Olivine-Struktur
Prozess-Routen
10. November 2011 Christian Hanisch | Seite 13
Lithium
Co, Ni
Mechanische Behandlung Hydrometallurgie Pyrometallurgy
Gehäuse,
etc.
Cu, Al
Batterie / Batteriezellen
Prozesskette
Gehäuse,
BMS, Kabel,
Stromleitschienen,
Schrauben
Demontage
Batteriesystem
Demontage
Batteriemodule
Kabel,
Stromleitschienen,
Schrauben…
Kühleinheiten
Komplettes
Batterie System
Entladung
Elektrischer
Strom
10. November 2011 | Christian Hanisch | Seite 14
Demontage von Batteriesystemen und -modulen
10. November 2011 | Christian Hanisch | Seite 15
Zellöffnung/ Trocknung
Zell-entladung
Lager System-entladung
Manueller Demontageplatz
Systementladung
Lager
Zelltrockung und -öffnung
Zellentladung
Manuelle Demontageplätze Sonder-
demontage
Deckel- entfernung
Zellentnahme
Layout „Szenario 2015“
ca. 2 Systeme pro Tag
1 Arbeiter nicht voll beschäftigt
Layout „Szenario 2030“
ca. 450 Systeme pro Tag
5 Arbeiter im Zwei-Schicht-System
Quelle: Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik, TU Braunschweig
Prozesskette von der Batteriedemontage
bis zur Materialaufbereitung
Batteriegehäuse
BMS
Verbindungs-
technik
Demontage
Batteriesystem
Demontage
Batteriemodul
Zerlegung
Batteriezelle
Material-
aufbereitung
Verbindungs-
technik
Kühleinheiten
Elektrolyt
Kupfer/Aluminium
Salze von
Übergangs-
metallen
Komplettes
Batteriesystem
Lithiumsalz mit
hoher Reinheit
Tiefentladung
Strom
10. November 2011 | Arno Kwade| Seite 16
Zellzerkleinerung und Sortierung
10. November 2011 | Christian Hanisch | Seite 17
Zellen / Module
Elektroden-
Fragmente
Separator-Folie
Schwerfraktion:
Stahl-/Al-
Gehäuse
Fe
10. November 2011 | Christian Hanisch | Seite 18
Hochreine Aufbereitung der Fragmente
Abgetrennte
Beschichtung
Elektroden /
Elektroden-
fragmente
Recycling-Elektroden
Zwischenprodukte
Hydrometallurgie
Aktivmaterial-Synthese
Separation von Stromsammlerfolie und Beschichtung
Physikalisch Nasschemisch
Separate
Folien-Fraktion
Li2CO3 / LiOH
Neue
Aktivmaterialien
10. November 2011 | Christian Hanisch | Seite 19
Abtrennung der Beschichtung
Abgetrennte
Beschichtung
Elektroden /
Elektroden-
fragmente
Recycling-Elektroden
Zwischenprodukte
Hydrometallurgie
Aktivmaterial-Synthese
Separation von Stromsammlerfolie und Beschichtung
Physikalisch Nasschemisch
Separate
Folien-Fraktion
Li2CO3 / LiOH
Neue
Aktivmaterialien
Separation
10. November 2011 | Christian Hanisch | Seite 20
Ausbeute > 99% des Aktivmaterials
Al-Kontamination < 0.1 Gew.-%
Elektroden,
Elektroden-
Fragmente
Zwischenprodukte Recycling-
Elektrode
10. November 2011 | Christian Hanisch | Seite 21
Rückgewinnung von Li, Co, Ni, Mn
Abgetrennte
Beschichtung
Elektroden /
Elektroden-
fragmente
Recycling-Elektroden
Zwischenprodukte
Hydrometallurgie
Aktivmaterial-Synthese
Separation von Stromsammlerfolie und Beschichtung
Physikalisch Nasschemisch
Separate
Folien-Fraktion
Li2CO3 / LiOH
Neue
Aktivmaterialien
Hydrometallurgischer Prozess
10. November 2011 Christian Hanisch | Seite 22
Hydrometallurgische Lithium-Extraktion
Recyclingquote:
85 % des Lithiums aus LiFePO4
95 % des Lithiums aus LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2
Quelle: Chemetall GmbH
Pilotanlage Hydrometallurgischen Prozesses
Co
, N
i, M
n-L
sg
.
Li-B
rine
Fällung
Metalloxidpartikel
Neue Aktivmaterialien
Kalzinierung
Ökologische Bewertung
Global Warming Potential (GWP)
Abiotic Resource Depletion (ADP)
Acidification Potential (AP)
Eutrophication Potential (EP)
Photochemical Ozone Creation Potential (POCP)
Ergebnisse werden in Kürze vom Öko-Institut e.V. veröffentlicht
10. November 2011 | Christian Hanisch | Seite 23
Source: Öko-Institut e.V.
Fazit
Pyrometallurgische Behandlung: Stand der Technik zur Rückgewinnung von
Co und Ni Schwierigkeiten mit neueren Materialien wie LiFePO4
Nachhaltigkeit
Hohe Recyclingquoten möglich
Recycling ökonomisch & ökologisch sinnvoll
Lithium rund Übergangsmtealle (Co, Ni) können – auf einer hohen Ebene
in der Wertschöpfungskette - in Batteriequalität wiedergewonnen werden
Stahl, Kupfer und Aluminium können zurückgewonnen werden
Produktionsausschüssse sollten ebenso recycled werden
Ausblick: Elektrolyt Lösungsmittel (und -Salz?) soll recycled werden
Ergebnisse des LCA werden in Kürze vom Öko-Institut e.V. veröffentlicht
10. November 2011 | Christian Hanisch | Seite 24
Vielen Dank…
10. November 2011 | Christian Hanisch | Seite 25
… für Ihre Aufmerksamkeit
… an die weiteren - Partner:
… für die Finanzielle Unterstützung vom
Lith Rec
Kontakt:
Christian Hanisch
c.hanisch@tu-braunschweig.de
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