Entwicklung eines stabilen Prozesses auf Basis der Prozesskette Pyrometallurgie-Schlackenaufbereitung-Hydrometallurgie zur Rückgewinnung von Li aus Mn-haltigen Schlacken (PyroLith) - Teilvorhaben der BGR-Arbeitsgruppe: Mineralphasen- und Strukturanalytik Li- und Mn-haltiger Schlacken

Land / Region: Deutschland

Projektanfang: 01.12.2020

Projektende: 31.05.2024

Projektstand: 31.05.2024

Abb. 1: Farbcodiertes Mineralverteilungsbild aus der Untersuchung einer Probe mit Rasterelektronenmikroskop (REM)-basierter automatisierter Mineralogie (REM-MLA; Messmodus: GXMAP) Quelle: BGR

Lithium-Ionen-Batterien (LIB) vom Typ NMC [Li(Ni, Mn, Co)O₂] enthalten zahlreiche Wertstoffe wie Al, C, Co, Cu, Fe, Ni, Li und Mn, die über geeignete Verfahren recycelt werden können. Im Projekt PyroLith wird ein stabiler Prozess zum Recycling von Li und gegebenenfalls weiteren schlackenaffinen Wertträgern aus LIB vom Typ NMC auf Basis der Prozesskette Pyrometallurgie-Schlackenaufbereitung-Hydrometallurgie entwickelt. Ziel ist die effektive Rückgewinnung von Li in batteriefähiger Qualität, auch bei schwankenden Inputmischungen und die Erzeugung einer an Wertstoffen und umweltschädigenden Substanzen minimierten Restschlacke als Zuschlagsstoff für den Bausektor.
Zur Umsetzung des Projektziels sind Arbeiten in den Bereichen thermodynamische Modellierung, optimierte Schmelzmetallurgie, Mineralphasen- und Strukturanalytik, optimierter Aufschluss und selektive Trennung sowie Flotation und Hydrometallurgie erforderlich. Entscheidungsinstrumente für die Auswahl einer optimalen Prozessroute werden aus einer ökologischen und ökonomischen Gesamtprozessbewertung abgeleitet.
Die BGR-Gruppe leitet im Vorhaben PyroLith das Arbeitspaket 3 „Mineralphasen- und Strukturanalytik Li- und Mn-haltiger Schlacken“, dessen Schwerpunkt die chemisch-mineralogische Charakterisierung der Prozessproben bildet. Da Li mit herkömmlichen wellenlängen- und energiedispersiven röntgenspektroskopischen Messverfahren, die in der Festkörperanalytik häufig eingesetzt werden, nur sehr beschränkt direkt erfasst werden kann und amorphe Anteile nur als Summe bei der quantitativen Röntgenbeugungsanalyse ausgegeben werden, ist im Teilvorhaben der BGR der Einsatz mehrerer komplementärer Analysen-Methoden (RBA, REM-MLA (Abb. 1), ESMA, RFA, ICP-MS, LA-ICP-MS) erforderlich. Zusätzlich arbeitet die BGR-Gruppe in einem weiteren Arbeitspaket mit.

Verbundvorhaben im Kompetenzcluster des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) „Recycling & Grüne Batterie“

Ein weiteres BGR-Projekt in diesem Kompetenzcluster ist das Projekt Batmix

Literatur:

• Li H., Qiu H., Ranneberg M., Lucas, H., Graupner T., Friedrich, B., Yagmurlu B., Goldmann D., Bremer, J., Fischlschweiger M., 2024, Enhancing Lithium Recycling Efficiency in Pyrometallurgical Processing through Thermodynamic-Based Optimization and Design of Spent Lithium-Ion Battery Slag Compositions. ACS Sustainable Resour. Manage., Published online. https://doi.org/10.1021/acssusresmgt.4c00064
• Li, H., Ranneberg, M., Fischlschweiger, M., 2023, High-temperature phase behavior of Li₂O-MnO with a focus on the liquid-to-solid transition. JOM 75(12), S. 5796-5807. https://doi.org/10.1007/s11837-023-06179-6
• Ranneberg M., Graupner T., 2023, Development of a routine method for the chemical and mineralogical characterization of Li- and Mn-containing slags from the recycling of NMC-type lithium-ion batteries (LIBs), GeoBerlin 2023, DGGV E-Publikation; https://doi.org/ 10.48380/y338-qw96
• Li H., Qiu H., Ranneberg M., Yagmurlu B., Goldmann D., Graupner T., Fischlschweiger M., 2023, Solidification of lithium and manganese containing slags from lithium-ion batteries - Simulated by coupling CALPHAD with finite element analysis, 50th CALPHAD Conference MIT Boston, Book of Abstracts S. 157
• Li, H., Ranneberg, M., Fischlschweiger, M., 2022, Thermodynamic investigation of the Li2O-MnO system in a certain composition region relevant for slag tailoring in the field of lithium-ion battery (LIB) recycling, GeoMinKöln 2022, p. 228.
• Ranneberg, M., Graupner, T., Goldmann, S., 2022, Chemical and mineralogical characterization of Li- and Mn-bearing slags to increase the recycling efficiency of lithium from lithium-ion-batteries (LIB), GeoMinKöln 2022, p. 322.
• Ranneberg, M., Li, H., Lucas, H., Graupner, T., Fischlschweiger, M., Friedrich, B., Evaluation of Li and Mn influence on Al-Ca-Si-O slag system regarding pyrometallurgical LIB treatment. 8th International Slag Valorisation Symposium, Leuven 2023, 205-209.

Partner:

• Institut für Aufbereitung, Recycling und Kreislaufwirtschaftssysteme (IFAD) der TU Clausthal (Verbundkoordinator)
• Institut für Energieverfahrens- und Brennstofftechnik (IEVB) der TU Clausthal
• Institut für Metallurgische Prozesstechnik und Metallrecycling (IME) der RWTH Aachen
• Institut für Partikeltechnik (iPAT) der TU Braunschweig
• Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF) der TU Braunschweig
• Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR), Hannover

Förderungsnummer:

03XP0336C