TY - THES

T1 - Charakterisierung und Optimierung eines zweistufigen Verfahrens zur Rückgewinnung von Graphit aus verbrauchten Lithium-Ionen-Batterien

AU - Hauler, Caroline

N1 - nicht gesperrt

PY - 2024

Y1 - 2024

N2 - Bei Graphit handelt es sich um eine Modifikation von Kohlenstoff, welche in vielfältigen Anwendungsbereichen wie Elektroden, Feuerfestmaterialien oder Schmiermitteln eingesetzt wird. Technisch von besonderer Bedeutung ist Graphit auch als Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien. Aufgrund seiner Einstufung als kritischer Rohstoff in der Europäischen Union und dem steigenden Bedarf im Bereich der Elektromobilität sowie weiterer Zukunftstechnologien rückt das Recycling immer stärker in den Fokus der Forschung. Dadurch kann der Rohstoff, alternativ zum primären Abbau, auch aus Reststoffen rückgewonnen werden. Hierbei erfolgt die verfahrenstechnische Einteilung in pyro- und hydrometallurgische Routen, außerdem existieren Mischprozesse, bei welchen eine Kombination von Methoden der beiden genannten Wege zum Einsatz kommen. Pyrometallurgisch findet die Aufarbeitung von Lithium-Ionen-Batterien häufig im Rahmen von Recyclingverfahren anderer metallischer Reststoffe statt. Mithilfe dieser Verfahren ist keine selektive Rückgewinnung der einzelnen Elemente möglich und Graphit dient als Energieträger und Reduktionsmittel, wird jedoch nicht stofflich verwertet. Hydrometallurgische Technologien ermöglichen die gezielte Abtrennung einzelner Metalle für weiterführendes Recycling. In der Hydrometallurgie verbleibt der Graphit großteils im Rückstand, welcher nach der Fest-Flüssig-Trennung anfällt. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Prozessentwicklung eines hydrometallurgischen Recyclingverfahrens, welches gereinigten Graphit als Produkt gewinnt. Ein zweistufiger Prozess entfernt Wertmetalle wie Kobalt, Nickel und Mangan sowie weitere Begleitelemente. Ziel ist die Herstellung einer Graphitfraktion mit hoher Reinheit und einem niedrigen Gehalt an metallischen und oxidischen Verunreinigungen. Um negative Umweltauswirkungen zu minimieren, finden die Versuche bei niedrigen Temperaturen und mithilfe von Citronensäure als Laugungsmittel statt. Das gewonnene feine Pulver durchläuft anschließend eine Charakterisierung zur Beurteilung des Prozesserfolgs. Bei einigen Experimenten traten Gelierungseffekte auf, wodurch sich auch Auswirkungen auf die weitere Verarbeitung der Rückstände zeigten. Die besten Ergebnisse konnten mit einer Laugung bei mittlerer Temperatur (32,5 °C), welche 24 Stunden dauerte, eine Säurekonzentration von 1,5 mol/L aufwies und unter Zugabe von 2,5 Vol.-% Wasserstoffperoxid als Reduktionsmittel erzielt werden.

AB - Bei Graphit handelt es sich um eine Modifikation von Kohlenstoff, welche in vielfältigen Anwendungsbereichen wie Elektroden, Feuerfestmaterialien oder Schmiermitteln eingesetzt wird. Technisch von besonderer Bedeutung ist Graphit auch als Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien. Aufgrund seiner Einstufung als kritischer Rohstoff in der Europäischen Union und dem steigenden Bedarf im Bereich der Elektromobilität sowie weiterer Zukunftstechnologien rückt das Recycling immer stärker in den Fokus der Forschung. Dadurch kann der Rohstoff, alternativ zum primären Abbau, auch aus Reststoffen rückgewonnen werden. Hierbei erfolgt die verfahrenstechnische Einteilung in pyro- und hydrometallurgische Routen, außerdem existieren Mischprozesse, bei welchen eine Kombination von Methoden der beiden genannten Wege zum Einsatz kommen. Pyrometallurgisch findet die Aufarbeitung von Lithium-Ionen-Batterien häufig im Rahmen von Recyclingverfahren anderer metallischer Reststoffe statt. Mithilfe dieser Verfahren ist keine selektive Rückgewinnung der einzelnen Elemente möglich und Graphit dient als Energieträger und Reduktionsmittel, wird jedoch nicht stofflich verwertet. Hydrometallurgische Technologien ermöglichen die gezielte Abtrennung einzelner Metalle für weiterführendes Recycling. In der Hydrometallurgie verbleibt der Graphit großteils im Rückstand, welcher nach der Fest-Flüssig-Trennung anfällt. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Prozessentwicklung eines hydrometallurgischen Recyclingverfahrens, welches gereinigten Graphit als Produkt gewinnt. Ein zweistufiger Prozess entfernt Wertmetalle wie Kobalt, Nickel und Mangan sowie weitere Begleitelemente. Ziel ist die Herstellung einer Graphitfraktion mit hoher Reinheit und einem niedrigen Gehalt an metallischen und oxidischen Verunreinigungen. Um negative Umweltauswirkungen zu minimieren, finden die Versuche bei niedrigen Temperaturen und mithilfe von Citronensäure als Laugungsmittel statt. Das gewonnene feine Pulver durchläuft anschließend eine Charakterisierung zur Beurteilung des Prozesserfolgs. Bei einigen Experimenten traten Gelierungseffekte auf, wodurch sich auch Auswirkungen auf die weitere Verarbeitung der Rückstände zeigten. Die besten Ergebnisse konnten mit einer Laugung bei mittlerer Temperatur (32,5 °C), welche 24 Stunden dauerte, eine Säurekonzentration von 1,5 mol/L aufwies und unter Zugabe von 2,5 Vol.-% Wasserstoffperoxid als Reduktionsmittel erzielt werden.

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KW - Lithium-Ionen-Batterien

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KW - Hydrometallurgie

KW - Kritische Rohstoffe

U2 - 10.34901/mul.pub.2024.075

DO - 10.34901/mul.pub.2024.075

M3 - Masterarbeit

ER -