Weißbuch

Die^SHARP™ -Technologie zur Verwertung vonLiB-Abfällen

Vereinfachtes, fortschrittliches Rückgewinnungsverfahren der Nassmetallurgie

, Dr. Ghazaleh Nazari, Technische Direktorin

Zusammenfassung

Coherent bewährte Coherent namens „Simplified Hydrometallurgical Advanced Recovery Process“ (SHARP) Coherent , mit der sich wichtige Metalle aus der schwarzen Masse von Lithium-Ionen-Batterien (LiB) effizient zurückgewinnen und hochwertige Batteriematerialien herstellen lassen. Diese Technologie wurde bereits erfolgreich in größerem Maßstab umgesetzt. Dies hat folgende Auswirkungen:

Erstens: Qualität:Flexibilität bei den Rohstoffen; Rückgewinnungsrate der Schlüsselmetalle >95 % sowie die Fähigkeit, Vorläufer und Kathodenmaterialien herzustellen, die für die LiB-Produktion geeignet sind.
Zweitens: Umwelt:Im Vergleich zu herkömmlichen nassmetallurgischen Verfahren werden der Energieverbrauch, der Wasserverbrauch und die Gesamtemissionen um 60 %, 70 % bzw. 60 % reduziert. Keine Flüssigkeitsableitung; keine Entstehung von giftigen festen, gasförmigen oder flüssigen Abfällen; und die Erzeugung wertvoller Nebenprodukte.
Drittens: Kosten:Im Vergleich zu herkömmlichen Nassmetallurgieverfahren senkt dieses vereinfachte Verfahren die Kapitalkosten um mindestens 50 % und die Kosten für Reagenzien und den Prozess um 50 %.

Bei den meisten hydrometallurgischen Verfahren ist für die Abtrennung von Schlüsselmetallen ein komplexer und empfindlicher Lösungsmittelextraktionsschritt erforderlich. Dies erfordert zahlreiche Anlagen und einen großen Platzbedarf, was zu hohen Investitionskosten führt. Bei der SHARP-Technologie werden mehrere Schritte der Metallabtrennung umgangen. Kathodenvorläufer und Kathodenmaterialien werden direkt aus Batterieabfällen hergestellt, ohne dass eine Abtrennung und Reinigung der Schlüsselmetalle erforderlich ist.Diese Technologie wurde kontinuierlich skaliert und in größeren kontinuierlichen Anlagen validiert, wobei qualifizierte Produkte hergestellt wurden und eine hervorragende wirtschaftliche Machbarkeit demonstriert wurde. Der erfolgreiche Probebetrieb der Anlage bestätigt, dass die Risiken einer Skalierung gering sind. Dies liegt daran, dass die für diesen Prozess erforderlichen Anlagen in der Hydrometallurgie-Branche eine lange Erfolgsgeschichte haben. Die Skalierung wurde schrittweise durchgeführt, um Risiken zu minimieren und eine präzise Dimensionierung der kommerziellen Anlage, eine schnelle Steigerung der Produktionskapazität sowie die Herstellung hochwertiger Produkte sicherzustellen.

Ständig wachsende Chancen

Um das Wachstum des Marktes für Elektrofahrzeuge (EV) aufrechtzuerhalten, ist eine gesicherte Versorgung mit Rohstoffen von entscheidender Bedeutung. Angesichts aller neuen und prognostizierten Entwicklungen im Bereich der Batterieanwendungen gewinnt das Recycling von ausgedienten (EOL) Lithium-Ionen-Batterien zunehmend an Bedeutung.Obwohl LiB-Batterien für Sekundäranwendungen wiederaufbereitet und wiederverwendet werden können, müssen sie letztendlich entsorgt werden. Da die Nachfrage des Elektrofahrzeugmarktes nach LiB-Batterien bald sprunghaft ansteigen wird, wird das Recycling einfacher werden, da LiB-Batterien größer und somit leichter zu sammeln sind. Die frühesten Generationen dieser Batterien sind noch im Einsatz, da Elektrofahrzeugbatterien in der Regel erst nach 10 bis 12 Jahren das (EOL). Es wird erwartet, dass das Aufkommen an Altbatterien (EOL) in den kommenden Jahren zunehmen wird.

Produktionsabfälle sind eine weitere wichtige Quelle für Recyclingmaterial, wie in Abbildung 1 dargestellt. Bei führenden Herstellern liegt die Ausschussquote bei der LiB-Produktion bei etwa 5 %, bei durchschnittlichen Herstellern bei 10 % und in der Anlaufphase bei bis zu 30 % oder mehr. Angesichts des rasanten Wachstums bei Elektrofahrzeugen wird erwartet, dass große Mengen an Altbatteriematerial anfallen,die den Großteil der LiB-Abfälle der letzten zehn Jahre ausmachen werden. Dies führt zu einem enormen Bedarf an Recycling. Zwischen 2020 und 2030 werden die bei der LiB-Produktion anfallenden Abfälle voraussichtlich 15 Millionen Tonnen übersteigen.

Abb. 1: Lebenszyklus einer Lithium-Ionen-Batterie .

Wichtige Edelmetalle und deren Verwaltung

Jüngste Bewertungen der Lieferketten für die wichtigsten Metalle in Batterien haben eine Reihe von Risiken aufgezeigt, darunter politische, sicherheitsbezogene und wirtschaftliche Risiken, die mit ihrer geografischen Konzentration zusammenhängen. Was Lithium betrifft, so stammt etwa die Hälfte des weltweiten Erzvorrats aus Australien und wird zur Veredelung und für den heimischen Verbrauch nach China exportiert. Lateinamerika ist eine weitere wichtige Lieferregion für Lithium, die unter dem Druck steht, in der Wertschöpfungskette aufzusteigen und unter schwierigen politischen Rahmenbedingungen zu operieren.

Kobalt ist das teuerste Metall in der aktuellen Konstruktion von Elektroauto-Batterien und wird als risikoreiches Mineral eingestuft, da es die Lieferkette unterbrechen könnte. Dies liegt vor allem daran, dass mehr als die Hälfte des weltweiten Kobaltangebots in der Demokratischen Republik Kongo abgebaut wird, wo die Besorgnis über Arbeits- und Menschenrechtsverletzungen stetig zunimmt.

Die Forschung und die Experimente zur Entwicklung von kobaltarmen oder kobaltfreien Batterien zielen darauf ab, die Abhängigkeit von Kobalt zu verringern, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Die meisten Lösungen basieren entweder auf NMC-Chemie mit hohem Nickelanteil, was den Nickelbedarf weiter steigern und damit den Nickelpreis in die Höhe treiben würde, oder auf Lithium-Eisenphosphat (LFP) mit geringerer spezifischer Kapazität, was jedoch weiterhin eine starke Abhängigkeit von Lithium mit sich bringt.

Die Umstellung auf Elektrofahrzeuge ist in vielen Ländern und Regionen ein wesentlicher Bestandteil der Umweltpolitik zur Eindämmung des Verbrauchs fossiler Brennstoffe und zur Bekämpfung des Klimawandels.Eine Lebenszyklusanalyse von Elektrofahrzeugen zeigt jedoch, dass der Abbau, die Verarbeitung und die Lagerung von Rohstoffen sowie die Entsorgung ausgedienter Lithium-Ionen-Batterien erhebliche Auswirkungen auf die Umwelt haben. Der Schlüssel zur deutlichen Verringerung der Gesamtumweltbelastung durch Elektrofahrzeuge liegt in der Rückgewinnung ausgedienter Lithium-Ionen-Batterien. Die Metallkonzentration in Lithium-Ionen-Batterien ist in der Regel höher als in Erzen, was ihre Rückgewinnung relativ einfacher macht. Dies führt zu erheblichen Einsparungen an natürlichen Ressourcen, senkt den Energieverbrauch bei der Verarbeitung und macht die Entsorgung giftiger Abfälle überflüssig.

Verwertungsprozess fürLithium-Ionen-Batterien

Am Ende der Lebensdauer der LiB werden diese gesammelt und zu Recyclingbetrieben transportiert. Zunächst werden die Batterien entladen, um die gespeicherte Restenergie vollständig aufzubrauchen. Anschließend werden die Batterien zerlegt: Dies kann manuell erfolgen oder durch Zerkleinern der Batteriemodule in einer Schredder- oder Mahlmaschine. Dabei entstehen Partikel, aus denen durch Sieben Materialien wie Stahl,Kunststoff, Aluminium und Kupfer von der sogenannten „schwarzen Masse“ getrennt. Abbildung 2 zeigt die Zusammensetzung der LiB in Gewichtsprozent.

Der derzeitige kommerzielle Weg zur Entsorgung von LiB-Abfällen ist ein pyrometallurgisches Verfahren, bei dem das Schmelzen den zentralen Prozessschritt darstellt. Dieser Weg ist mit erheblichen Hindernissen verbunden, wie beispielsweise hohem Energieverbrauch, hohen Kosten für die Behandlung giftiger Gase sowie dem Austritt von Lithium in die Schlacke. Darüber hinaus ist die Form der zurückgewonnenen Metalle für die Batterieproduktion ungeeignet und erfordert eine zusätzliche Aufbereitung, um sie in einzelne Metallverbindungen zu trennen.

Hydrometallurgische Verfahren haben die Grenzen der pyrometallurgischen Verfahren überwunden, bringen jedoch auch eigene Herausforderungen mit sich. Die meisten hydrometallurgischen Verfahren basieren auf der Lösungsmittelextraktion, die mehrere Extraktions-, Wasch- und Strippschritte erfordert. Da die Anlagen komplex sind und viel Platz beanspruchen, sind die Investitionskosten entsprechend hoch.Zudem verbrauchen diese Verfahren große Mengen an Reagenzien, Brennstoffen und Strom und verursachen erhebliche Mengen an Prozessabwasser. Bislang gibt es noch kein kommerzielles nassmetallurgisches Verfahren zur Rückgewinnung von LiB-Abfällen.

Abb. 2: Gewichtsanteile der LiB -Bestandteile.

Durch den Einsatz effizienter hydrometallurgischer Verfahren lassen sich in der schwarzen Masse Wertmetalle zu über 95 % zurückgewinnen. In Kombination mit mechanischen Trennverfahren können über 80 % der Bestandteile der Batterie zurückgewonnen werden.

Coherent einer der weltweit führenden Anbieter Coherent Bereich der Coherent und kann auf eine hervorragende Erfolgsbilanz in den Bereichen Umwelt, Gesundheit und Sicherheit (EHS) sowie bei der Qualitätssicherung zurückblicken. Dies ist Teil des Unternehmensleitbilds, die Welt sicherer,enger, gesünder und effizienter zu machen.Coherent mehr als 30 Jahre umfassende FachkompetenzCoherent und beschäftigt kompetente, erfahrene Ingenieure und Chemiker, die die treibende Kraft hinter der Entwicklung verschiedener neuer Produkte und Verfahren sind. Eine dieser Innovationen ist die Entwicklung der SHARP-Technologie, mit der wichtige Metalle effizient aus der schwarzen Masse von LiB-Batterien zurückgewonnen werden können.

Unsere Technologie wurde erfolgreich skaliert und hat sich als technisch machbar erwiesen, um wichtige Metalle effizient zurückzugewinnen und Materialien in Batteriequalität herzustellen. Der Probebetrieb der Anlage wurde in einer größeren, kontinuierlichen Konfiguration validiert, und ihre wirtschaftlichen Vorteile stehen fest. Die Skalierung erfolgte schrittweise, um Risiken zu minimieren und eine präzise Dimensionierung der kommerziellen Anlage, eine rasche Steigerung der Produktionskapazität sowie die Herstellung hochwertiger Produkte sicherzustellen.

Abbildung 3 verdeutlicht die Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens gegenüber den oben genannten bestehenden Verfahren. Im Gegensatz zu pyrometallurgischen Verfahren wird dabei Lithium zurückgewonnen, ohne dass giftige Gase entstehen. Anders als bei gängigen hydrometallurgischen Verfahren umgeht ein Großteil des Ausgangsmaterials die Trenn- und Reinigungsschritte und gelangt direkt in einen kostengünstigeren und vereinfachten Rückgewinnungsprozess.

Abb. 3. Vergleich der SHARP-Technologie Coherent mit der Feuerhüttenmetallurgie und herkömmlichen Nasshüttenverfahren.

Ergebnisse des Probebetriebs der SHARP-Technologieanlage

Die SHARP-Technologie Coherent wurde erfolgreich auf größere Maßstäbe ausgeweitet, wie in Abbildung 4 dargestellt. Die Ergebnisse der Probebetriebe in der Anlage bestätigen, dass die Produktionskosten für Materialien in Batteriequalität deutlich gesenkt werden konnten,was umweltbewussten Verbrauchern und dem gesamten Markt ein überzeugendes Wertversprechen bietet. Um die Robustheit des Verfahrens zu bestätigen, wurde für die Testanlage schwarzes Ausgangsmaterial ausgewählt, das mit verschiedenen Verunreinigungen wie Aluminium, Eisen, Kupfer, Cadmium, Kalzium, Magnesium, Fluor und Zink kontaminiert war. Einige dieser Verunreinigungen kommen in NMC-LiB-Abfällen eigentlich nicht vor, sind jedoch aufgrund von Kreuzkontaminationen mit anderen Batterietypensind diese Verunreinigungen auch im schwarzen Material enthalten. Die effiziente Entfernung aller Verunreinigungen aus dem schwarzen Material sowie die Fähigkeit, batterietaugliches Material herzustellen, bestätigen die Robustheit der SHARP-Technologie, selbst bei hohen Verunreinigungsgehalten.

Abb. 4:Eine Reihe von Reaktoren für den Schritt der Verunreinigungsentfernung im SHARP-Verfahren.

Der Weg zur Kommerzialisierung der SHARP-Technologie

Nach dem erfolgreichen Betrieb der PilotanlageCoherent im Jahr 2024 ungenutzte Kapazitäten in seinen bestehenden Anlagen nutzen, um eine Demonstrationsanlage mit einer Jahreskapazität von 1.500 Tonnen (MT/y) in Betrieb zu nehmen und so die Entwicklung dieser Technologie voranzutreiben.

Coherent 2025 eine LiB-Recyclinganlage mit einer jährlichen Verarbeitungskapazität von 20.000 Tonnen „Black Mass“ zu errichten. Diese hochmoderne Anlage soll eine wichtige Rolle bei der nachhaltigen Bewirtschaftung von LiB-Batterien spielen. Das Projekt zielt darauf ab, große Mengen dieser Batterien zu recyceln und so einen Beitrag zur ökologischen Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung zu leisten. Durch die effiziente Aufbereitung dieser BatterienCoherent 11.000 Tonnen pCAM-Recyclingprodukte und 5.500 Tonnen LiOH.H2OCoherent , was einer Energiekapazität von 10 GWh entspricht, wodurch der Bedarf an Rohstoffen gesenkt und Abfall minimiert wird. Diese Initiative entspricht den weltweit geltenden Anforderungen an die umfassende Umsetzung umweltfreundlicher Praktiken in der Batterieindustrie und trägt dazu bei, Bedenken hinsichtlich der Umweltauswirkungen der Batterieentsorgung und des Verbrauchs kritischer Materialien auszuräumen.

Coherent

Erfahrung in der Nassmetallurgie:
Coherent mehr als 30 Jahre Fachwissen und umfangreiche Erfahrung im erfolgreichen Betrieb von Raffinerien für Seltenmetalle.Coherent zeichnet sichCoherent HerstellungCoherent Tellur und Selen aus und deckt damit einen Großteil des weltweiten Bedarfs seiner Kunden ab.
Die Robustheit der SHARP-Technologie:
Die SHARP-Technologie wurde umfassend erweitert und ist nun in der Lage, Verunreinigungen in unterschiedlichen Konzentrationen zu behandeln, darunter Aluminium, Eisen, Kupfer und Fluor, die in NMC-LiB-Batterien häufig vorkommen.
Geringeres Risiko bei der Skalierung:
Die erforderlichen Anlagen haben sich in der Nassmetallurgie bereits bewährt, wodurch das Risiko bei der Skalierung auf ein Minimum reduziert wird.
Vielseitigkeit und Flexibilität:
Neben der Abfallbehandlung zeigt die SHARP-Technologie auch ihre Vielseitigkeit, indem sie aus EOL-Schwarzmasse (einschließlich Verunreinigungen wie Cadmium, Kalzium, Magnesium, Zink, Wolfram und Zirkonium) Produkte in Batteriequalität herstellt. Wir haben in unserer Pilotanlage Schwarzmasse aus EOL-Batterien, die hohe Konzentrationen an Verunreinigungen enthält, erfolgreich aufbereitet, was unsere bedeutenden technischen Erfolge unterstreicht.

Bei Coherentermöglichen es uns CoherentEngagement für Spitzenleistungen in Verbindung mit modernster Technologie und herausragender Anpassungsfähigkeit, an der Spitze nachhaltiger Innovationen zu stehen und eine führende Rolle in den Bereichen LiB-Recycling und Batterie-Materialproduktion einzunehmen.