Vakuumtechnik von Leybold sichert effizientes Recycling von Lithium-Ionen-Batterien

Bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien kommt Vakuumtechnologie in zahlreichen Prozessschritten zum Einsatz: beim Mischen und Entgasen der Batterieslurries, bei der Trocknung der Coils, bei der Befüllung sowie bei der anschließenden Dichtheitsprüfung. Aber auch beim mechanischen Recycling ist Vakuumtechnik unersetzlich, damit die Zellenmodule im Prozess getrocknet werden können

Batterie-Recycling
© Leybold

Batterie-Recycling

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Drei Recycling-Verfahren

1. Pyrometallurgie: Für die erste Hälfte des Recyclings gibt es drei Verfahren: Zunächst einmal die Aufbereitung der Zellmodule zu Fraktionen, die anschließend weiterverarbeitet werden können. "Das erste ist die Pyrometallurgie", sagt Sebastian Rosensträter, Application Manager der Industrial Division beim Vakuumspezialisten Leybold. "Sie gleicht einem Hochofenprozess, in dem die Batteriezellen in einen Ofen gelangen. Anschließend wird das Ganze aufgeheizt und verbrannt", führt Rosensträter weiter aus. Am Ende bildet sich daraus eine Legierung aus Kobalt, Nickel, Kupfer und eventuell Eisen, die zusammenschmilzt. In der restlichen Verbrennungsschlacke befinden sich dann Aluminium und Lithium. Graphit und Kunststoffbestandteile verbrennen einfach. Die Legierung kann aufbereitet werden, sodass die Rohstoffe Kobalt, Kupfer und Nickel wiederverwendet werden können. Auf diese Weise lassen sich bis zu 50 Massen-% recyceln.

2. Alternative Pyrolyse: Die Pyrolyse, die unter Luftabschluss bei niedrigeren Temperaturen abläuft, ist eine Zersetzung, bei der die entstehenden Abgase aufbereitet werden müssen. Sie ist energieaufwendig, dafür kann jedoch Aluminium wiedergewonnen werden, wodurch die Recyclingquote auf bis zu 60 % steigt.

3. Mechanisches Recycling: Beim mechanischen Recycling werden große Batterien (Traktionsbatterien aus Autos oder Ähnliche) entladen und dann demontiert. Die Entladung ist nötig, um ein „Durchgehen“ während der anschließenden Zerkleinerung zu verhindern. Zusätzlich ist es möglich, den Gesamtenergiebedarf der Anlage größtenteils über die Restladung der Batterien zu decken. Die demontierten Module größerer Batterien sowie kleinere Komplettbatterien – etwa aus Smartphones etc. – werden entweder unter Stickstoffatmosphäre oder im Vakuum zerkleinert, um eine Entzündung der brennbaren Lösemittel aus dem Elektrolyt zu verhindern. Diese müssen vor der Weiterverarbeitung entfernt werden. "Die Abtrocknung geschieht am besten mittels Vakuum. Ich habe also einen geschlossenen Behälter, führe Energie zu und senke gleichzeitig den Druck ab, damit das Ganze einerseits energieeffizient bei niedrigeren Temperaturen erfolgt, und andererseits sicher abtrocknen kann", fasst Sebastian Rosensträter zusammen. Ist das System dicht, kann es nicht zu Entzündungen kommen. Im Vakuum zieht der Elektrolytdampf ab und kann dann vor oder hinter den Vakuumpumpen auskondensieren und weiterverwendet werden.

DRYVAC-Serie
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Robuste Vakuumpumpen notwendig

Herausfordernd beim Vakuum-Trocknen sind die potentiell entzündlichen Lösemitteldämpfe. Anwender benötigen Pumpen, die mit kondensierbaren, aggressiven Dämpfen umgehen können. Von Lösemitteln, die in den Pumpen auskondensieren, dürfen über die Verdichtung keine Probleme ausgehen. Eine gut funktionierende Wellendichtung ist notwendig, um ein Eindringen der Prozessgase in die ölgeschmieten Lagerräume zu verhindern. "Hermetisch dichte Pumpengehäuse verhindern sowohl ein Austreten der Prozessgase als auch den Eintrag von Luft und somit die Erzeugung brennbarer Gemische", erläutert Sebastian Rosensträter.

Gewinnung wertvoller Materialien

Beim mechanischen Recycling werden Recyclingraten von bis zu 95 % erreicht. Nach der Abtrocknung wird die wertvolle „Black Mass“, die feinkörnige Mischung der Rohstoffe, mechanisch von Folien- und Kunststoffresten getrennt. Letztere werden lediglich thermisch recycelt. Die wertvollen Rohstoffe Nickel, Kobalt, Kupfer, Lithium, Graphit, Elektrolyt und Eisen können über hydrometallurgische Prozesse (Auslösen mittels wässriger Lösungen aus Laugen und Basen) im Nachgang aufbereitet werden.

SCREWLINE Vakuumpumpe
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Anlagenbauer spezialisieren sich gerade

Derzeit sind laut Sebastian Rosensträter ausreichend Lithium-Ionen-Batterien im Umlauf, damit sich das Recycling-Geschäft bereits rentiert. Überdies wird die Anzahl der Traktionsbatterien oder Modulzellen aus Traktionsbatterien und Consumer Electronic in den nächsten Jahren noch stark ansteigen. "Es gibt ja quasi kein Spielzeug, Haushaltsgerät oder Werkzeug mehr, das nicht über eine Lithium-Ionen-Batterie verfügt.“ Jetzt ist der richtige Zeitpunkt, um sich mit dieser Technik zu beschäftigen, damit auch ausreichend Konzepte und Industrieanlagen verfügbar sind, wenn diese Mengen in den Recycling-Kreislauf kommen.

Second-Life-Konzepte nur eine Zwischenlösung

Neben dem Recycling arbeiten zahlreiche Startups an der Entwicklung von Second-Life-Konzepten. Dabei werden Batteriemodule aus Traktionsbattereien in stationäre Speicher überführt, beispielsweise für die Speicherung von erneuerbaren Energien. Die ist jedoch nur eine Zwischenlösung. Mittelfristig werden auch diese Batterien dem Recycling zugeführt werden müssen. Aktuell gibt es nur wenige kommerziell betriebene Anlagen für Batterie Recycling. Die Zulassungszahlen von Elektroautos steigen jedoch kontinuierlich und auch die Anzahl an batteriebetriebenen Konsumgütern wächst.

Breite Vakuumpalette von Leybold

Der Vakuumpionier Leybold bietet für die Applikationen hauptsächlich seine trockenverdichtenden Schraubenpumpen aus der DRYVAC-Serie an. Diese sind hermetisch dicht und in der Lage, kondensierbare Dämpfe zu pumpen. Die Vakuumpumpen verfügen zudem über ein robustes Wellendichtungssystem, das mittels Sperrgas das Eindringen von Prozessgas in die Lagerräume verhindert.

SCREWLINE einfach zu reinigen

Bei Prototypensystemen oder Anlagen mit variablen Eingangsmaterialien kann es zu größeren Verunreinigungen des Vakuumsystems kommen, weil neben den Lösemitteln auch andere Bestandteile – beispielsweise niedermolekulare Kunststofffraktionen – verdampft werden. Durch die Kondensation im Vakuumsystem können sich Beläge bilden und die Pumpen zusetzen. Für derart schwierige Recyclinganwendungen hat Leybold die SCREWLINE Vakuumpumpen im Portfolio. Diese ebenfalls trockenverdichtenden Vakuumpumpen, besitzen innengekühlte Rotoren, wodurch etwaige organische Beläge nicht vercracken. Zudem bietet die fliegende Lagerung der Rotoren dem Anwender die Möglichkeit, den Schöpfraum selber zu demontieren und das Pumpeninnere zu reinigen.

Energieeffiziente RUVAC

Für die Maximierung des Saugvermögens bei niedrigen Drücken, unter denen üblicherweise getrocknet wird, bieten sich Wälzkolben- oder Rootsgebläse an. Die Leybold RUVAC WH Serie bietet hermetisch dichte und energieeffiziente Vakuumgebläse. "Neben einzelnen Vakuumpumpen bietet Leybold auch Komplettvakuumsysteme für das Batterierecycling. Diese umfassen die Vakuumpumpen sowie Kondensatoren, um die Lösemittel auszukondensieren und einem Speichertank zuzuführen. Zudem kann die gesamte Mess- und Regelungstechnik mitgeliefert werden", ergänzt Sebastian Rosensträter.

Exakte Dimensionierung elementar

Die Vakuumsysteme werden in punkto Saugvermögen der Vakuumpumpen und Auslegung des Kondensators auf die Prozessbedingungen des Trocknens abgestimmt. Ziel ist es, den Druck im Trockner unter dem Sattdampfdruck des abzutrocknenden Lösemittelgemischs zu halten. Das Vakuumsystem muss hinsichtlich des Saugvermögens auf den Arbeitspunkt des Trockners hin optimiert werden. Leybold arbeitet eng mit den Kunden zusammen, um maßgeschneiderte Lösungen zu entwickeln, die einen robusten Trocknungsprozess sicherstellen. “Viel hilft viel, gilt nicht immer!“, unterstreicht Rosensträter. Durch eine Überdimensionierung des Vakuumsystems, gewinne man nichts, führt er weiter aus. Man komme zwar im Druck weiter runter, kann aber dadurch nicht bedeutend schneller trocknen, weil die Verdampfung des Elektrolytes in erster Linie davon abhängig ist, wieviel Energie dem Trockner zugeführt wird.

Robust, energieeffizient, sauber ausgelegt

So kommt es letztlich auf eine exakte und saubere Auslegung an. Zudem sollte das Vakuumsystem möglichst wenig Wartung erfordern. "Denn mehr Wartungsaufwand bedeutet mehr Downtime, und wenn der Trockenprozess stockt, läuft die ganze Prozesskette nicht", so Rosensträter. "Sobald das Vakuumsystem ausfällt, gibt es ein Problem. Es muss somit robust sein, um eine hohe Maschinenverfügbarkeit zu ermöglichen und im besten Fall energieeffizient sein", fügt er hinzu.

Jahrelange Applikationserfahrung

Der Vorteil der Leybold-Pumpen liegt in der Energieeffizienz der hermetisch dichten Pumpen. Zudem arbeiten die Pumpen der DRYVAC und vor allem der SCREWLINE Seite bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen. Diese verhindern ein Vercracken von organischen Bestandteilen des Prozessgases und somit einen Aufbau von harten Schichten auf den Rotoren. "Wir begleiten unsere Kunden vom Prototyp bis zum Serienprozess und erarbeiten gemeinsam mit ihm das für die jeweilige Applikation beste Vakuumsystem", bilanziert Sebastian Rosensträter. Leybold ist global sehr gut aufgestellt. Im Bereich Batterie-Recycling sind trockene Leybold Vakuumpumpen seit circa fünf Jahren im industriellen Einsatz.

Recycling ersetzt Rohstoffgewinnung im Bergbau

Auf der Basis dieser wichtigen Faktoren und Bedingungen laufen die Prozesse unter dem Strich dann auch rentabel. Denn das Recycling von Batterien sollte vor allem wirtschaftlich betrieben werden können. weil es ein Business und ein Wettbewerb rund um die raren Rohstoffe Lithium, Nickel und Kobalt ist. Als Alternative in der Rohstoffgewinnung gibt es den Abbau. Doch dies sind vor allem extrem aufwendige und teure Gewinnungsverfahren, die zusätzlich enorm große ökologische Auswirkungen haben. "Also gilt: Die effizienteste Art der Rohstoff-Sicherung ist die Wiederverwertung", fasst Sebastian Rosensträter zusammen.

Besondere Herausforderungen für Vakuumpumpen

Die EU-Richtlinie „ATEX“ – ATmosphères EXplosibles – findet Anwendung bei Geräten, die in explosionsgefährdeten Umgebungen zum Einsatz kommen. Grundsätzlich werden ATEX-Vakuumpumpen dort benötigt, wo Gase, Dämpfe, Nebel mit Luft ein explosives Gemisch bilden können. Beim Batterierecycling werden zwar potentiell brennbare Gase wie Lösemitteldämpfe gepumpt; das Material ist aber bereits durch Stickstoff beim Schreddern inertisiert, sodass durch ein entsprechend leckdichtes Design auf ein aufwendiges, teures ATEX Equipment verzichtet werden kann. Auch wenn bestimmte fluoridhaltige Leitsalze in Kontakt mit Wasser oder Feuchtigkeit kommen, bestehen besonders bei Erhitzung Risiken der Entstehung giftiger, ätzender Fluorwasserstoffe (HF). Dadurch könnten in der gesamten Anlage potenziell erhebliche Probleme entstehen. Leybold sorgt daher mit seinen Vakuum-Systemen für eine möglichst trockene Prozessführung, denn geringe Mengen an HF und Wasser gehen gasförmig mit geringem Korrosionspotential einher.

www.leybold.com