LiB 폐기물용 SHARP^™ 기술

Dr. Ghazaleh Nazari, leitende Technische Leiterin bei „
“

Wachstumschancen

Um das Wachstum des Marktes für Elektrofahrzeuge (EV) aufrechtzuerhalten, ist eine stabile Rohstoffversorgung von entscheidender Bedeutung. Angesichts der technologischen Entwicklungen im Bereich der Batterieanwendungen gewinnt das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien (LiB) am Ende ihrer Lebensdauer (EOL) zunehmend an Bedeutung. Zwar besteht im Bereich der Wiederaufbereitung die Möglichkeit, LiB wiederaufzuarbeiten und wiederzuverwenden, doch müssen diese Batterien letztendlich entsorgt werden. Da die Nachfrage nach LiB im EV-Markt rasant steigt, nimmt auch die Anzahl der LiB zu, was die Sammlung erleichtert und somit das Recycling vereinfacht. Da EV-Batterien in der Regel nach 10 bis 12 Jahren das Ende ihrer Lebensdauer (EOL) erreichen, sind auch Batterien der ersten Generation noch im Einsatz. Es wird erwartet, dass die Entsorgung von EOL-Batterien in den nächsten Jahren zunehmen wird.

Wie in Abbildung 1 dargestellt, stellen die bei der Herstellung anfallenden Abfälle eine weitere wichtige Rohstoffquelle für das Recycling dar. Die Ausschussquote bei der LiB-Produktion liegt bei führenden Herstellern bei etwa 5 %, bei durchschnittlichen Herstellern bei 10 % und in der Anfangsphase bei über 30 %. Angesichts des rasanten Wachstums bei Elektrofahrzeugen ist davon auszugehen, dass die Menge an bei der Herstellung aussortierten Batteriematerialien beträchtlich sein wird, und dieser Anteil dürfte in diesem Zehnjahreszeitraum den Großteil der LiB-Abfälle ausmachen. Daher könnte der Bedarf an Recycling steigen. Es wird erwartet, dass die Menge an Abfällen aus der LiB-Produktion zwischen 2020 und 2030 15 Millionen Tonnen übersteigen wird.

Wichtige Metalle und deren Verwaltung

Eine aktuelle Analyse der Lieferkette für wichtige Batteriemetalle, ausgehend von den Hauptvorkommen, zeigt eine Vielzahl von Risiken auf, darunter politische, sicherheitspolitische und geschäftliche Risiken im Zusammenhang mit der geografischen Konzentration. Im Falle von Lithium wird mehr als die Hälfte der weltweiten Mineralvorkommen in Australien gefördert und zur Raffination sowie für den heimischen Verbrauch nach China exportiert. Auch Lateinamerika ist eine wichtige Lithiumquelle, wobei die Belastung in dieser Region aufgrund der Anforderungen an eine Verlagerung der Wertschöpfungskette nach oben und der schwierigen politischen Lage, unter der die Betriebe stehen, zunehmend zunimmt.

Kobalt, das derzeit wertvollste Metall in der Konstruktion von Elektrofahrzeugbatterien, gilt aufgrund der Gefahr einer Unterbrechung der Lieferkette als risikoreiches Mineral. Dies liegt vor allem daran, dass in der Demokratischen Republik Kongo, wo mehr als die Hälfte des weltweiten Kobaltangebots gefördert wird, die Besorgnis über Verstöße gegen Arbeits- und Menschenrechte zunimmt.

Forschung und Experimente zur Entwicklung kobaltarmer oder kobaltfreier Batterien zielen darauf ab, die Abhängigkeit von Kobalt zu verringern, ohne dabei Leistungseinbußen in Kauf zu nehmen. Die meisten Lösungen stützen sich entweder auf NMC-Chemien mit hohem Nickelgehalt, was den Nickelbedarf und die Preise weiter in die Höhe treibt, oder auf kostengünstige LFP-Batterien, die nach wie vor stark von Lithium abhängig sind.

Die Umstellung auf Elektrofahrzeuge ist ein wichtiger Bestandteil der Umweltpolitik vieler Länder, um den Verbrauch fossiler Brennstoffe einzudämmen und dem Klimawandel entgegenzuwirken. Lebenszyklusanalysen von Elektrofahrzeugen zeigen jedoch, dass der Abbau, die Verarbeitung und die Lagerung von Rohstoffen sowie die Entsorgung gebrauchter Lithium-Ionen-Batterien erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt haben. Der Schlüssel zur Verringerung der Gesamtumweltbelastung durch Elektrofahrzeuge liegt im Recycling gebrauchter Lithium-Ionen-Batterien. Da die Metallkonzentration in Lithium-Ionen-Batterien oft höher ist als in Erzen, lassen sich die Metalle relativ leicht zurückgewinnen. Dies führt zu einer erheblichen Schonung natürlicher Ressourcen, einem geringeren Energieverbrauch bei der Aufbereitung und dem Wegfall der Entsorgung giftiger Abfälle.

Wenn ein effizienter Nassveredelungsprozess realisiert werden kann, lässt sich aus dem Rohschrott eine Rückgewinnungsrate von über 95 % für wichtige Metalle erzielen. In Kombination mit mechanischen Trennverfahren können mehr als 80 % der Batteriekomponenten zurückgewonnen werden.

Als weltweit führendes Unternehmen im Bereich der Veredelung von Seltenen Erden, das sich der Mission verschrieben hat, die Welt sicherer, verbundener, gesünder und effizienter zu machen, kann Coherent auf eine herausragende Erfolgsbilanz in den Bereichen Umwelt, Gesundheit und Sicherheit (EHS) sowie Qualitätsexzellenz zurückblicken. Coherent verfügt über mehr als 30 Jahre umfassende Fachkompetenz im Bereich der Extraktionsverhüttung und beschäftigt kompetente, erfahrene Ingenieure und Chemiker, die im Zentrum der Entwicklung zahlreicher neuer Produkte und Verfahren stehen. Eine dieser Innovationen ist die Entwicklung der SHARP-Technologie zur effizienten Rückgewinnung wichtiger Metalle aus den in LiB-Batterien anfallenden schwarzen Klumpen. 

Unsere Technologie wurde erfolgreich skaliert, und die technische Machbarkeit einer effizienten Rückgewinnung wichtiger Metalle sowie der Herstellung von Batteriematerialien wurde nachgewiesen. Der Betrieb der Versuchsanlage hat sich in größerem und kontinuierlichem Maßstab bewährt, und die wirtschaftlichen Vorteile wurden bestätigt. Um Risiken zu minimieren und eine präzise Festlegung der Größe der kommerziellen Anlage, eine schnelle Inbetriebnahme sowie die Herstellung hochwertiger Produkte zu gewährleisten, wurde eine schrittweise Erweiterung umgesetzt.

Abbildung 3 verdeutlicht, wie oben beschrieben, die Vorteile der vorgeschlagenen Technologie im Vergleich zu den neuesten Verfahren. Im Gegensatz zum Trockenveredelungsverfahren wird Lithium zurückgewonnen, und es entstehen keine giftigen Gase. Anders als bei herkömmlichen Nassveredelungsverfahren wird der Großteil des Ausgangsmaterials in einem kostengünstigen, vereinfachten Recyclingverfahren verarbeitet, wodurch die Trennungs- und Reinigungsschritte umgangen werden.

SHARP 기술 시험 설비 결과

Die Coherent wurde erfolgreich skaliert (Abbildung 4). Die Ergebnisse der Versuchsanlage haben gezeigt, dass Materialien in Batteriequalität zu deutlich geringeren Kosten hergestellt werden können, was ein attraktives Wertversprechen für umweltbewusste Verbraucher und den gesamten Markt darstellt. Das für die Testanlage ausgewählte Rohmaterial (Black Mass) war mit verschiedenen Verunreinigungen wie Aluminium, Eisen, Kupfer, Cadmium, Kalzium, Magnesium, Fluor und Zink kontaminiert, um die Robustheit des Prozesses zu überprüfen. Einige dieser Verunreinigungen sind in NMC-LiB-Abfällen nicht zu erwarten und waren in diesem Black Mass aufgrund von Kreuzkontaminationen mit anderen Batterietypen vorhanden. Die SHARP-Technologie hat ihre Robustheit auch bei hohen Verunreinigungsgraden unter Beweis gestellt, indem sie alle Verunreinigungen effizient aus dem schwarzen Klumpen entfernt und Material in Batteriequalität produziert hat.

SHARP 기술 상용화 경로

Aufgrund des erfolgreichen Betriebs der Testanlage plant Coherent, diese Technologie im Jahr 2024 weiterzuentwickeln, indem das Unternehmen ungenutzte Kapazitäten nutzt, um in den bestehenden Anlagen eine Demonstrationsanlage mit einer Jahreskapazität von 1.500 Tonnen (MT/y) zu betreiben.

Coherent plant, im Jahr 2025 eine LiB-Recyclinganlage mit einer Kapazität von 20.000 Tonnen pro Jahr zu errichten. Diese hochmoderne Anlage soll eine wichtige Rolle bei der nachhaltigen Bewirtschaftung von LiB-Batterien spielen. Ziel dieses Projekts ist es, durch das Recycling einer beträchtlichen Menge an Batterien einen Beitrag zur ökologischen Nachhaltigkeit und zur Ressourcenschonung zu leisten. Durch die effektive Aufbereitung dieser Batterien plant Coherent, jährlich etwa 11.000 Tonnen Recyclingprodukte als pCAM sowie 5.500 Tonnen LiOH.H2O (entspricht 10 GWh) zu produzieren, um den Rohstoffbedarf zu senken und Abfall zu minimieren. Diese Initiative entspricht dem weltweiten Trend zur Umsetzung umweltfreundlicher Praktiken in der Batterieindustrie und trägt dazu bei, die Auswirkungen von Batterieabfällen auf die Umwelt sowie die Bedenken hinsichtlich der Verknappung wichtiger Rohstoffe zu mindern.

Coherent

1. Erfahrung in der Nassveredelung:
   Mit über 30 Jahren Fachkompetenz blickt Coherent auf eine lange Erfolgsgeschichte im Betrieb von Anlagen zur Veredelung seltener Metalle zurück. Coherent verfügt über herausragende Produktionskapazitäten für hochreines Tellur und Selen und deckt damit den Großteil des weltweiten Bedarfs ab.
2. Die Robustheit der SHARP-Technologie:
   Die Leistungsfähigkeit von SHARP erstreckt sich auf die Behandlung verschiedener Verunreinigungen, darunter Aluminium, Eisen, Kupfer und Fluor, die in NMC-LiB-Batterien häufig vorkommen – unabhängig von ihrer Konzentration.
3. Geringes Skalierungsrisiko:
   Da die erforderliche Ausrüstung nachweislich bereits erfolgreich in der Nassverhüttungsindustrie eingesetzt wurde, ist das Risiko bei einer Skalierung auf ein Minimum reduziert.
4. Vielseitigkeit und Flexibilität:
   Die SHARP-Technologie beweist ihre Vielseitigkeit, indem sie neben Produktionsabfällen auch Verunreinigungen wie Cadmium, Kalzium, Magnesium, Zink, Wolfram und Zirkonium aufnimmt und aus EOL-Schwarzmassen Produkte in Batteriequalität herstellt. Die aus EOL-Batterien stammenden und einen hohen Anteil an Verunreinigungen enthaltenden schwarzen Klumpen wurden in unserer Testanlage erfolgreich verarbeitet, was den Erfolg unserer Technologie unterstreicht.

Mit seinem Bekenntnis zu Spitzenleistungen, modernster Technologie und hoher Anpassungsfähigkeit steht Coherent als führendes Unternehmen im Bereich des LiB-Recyclings und der Batterie-Materialproduktion an vorderster Front nachhaltiger Innovationen für die Zukunft.