TY - THES

T1 - Grenzwertbestimmung und Analyse von Aluminium- und Kohlenstoffzuschlägen zu Kathodenmaterialien aus Lithium-Ionen Batterien für die Wertmetallrückgewinnung im pyrometallurgischen Reaktorkonzept InduRed

AU - Baldauf, Mathias

N1 - nicht gesperrt

PY - 2022

Y1 - 2022

N2 - Diese Arbeit setzt sich mit der Anwendbarkeit des am Lehrstuhl für Thermoprozesstechnik entwickelten pyrometallurgischen Reaktorkonzepts InduRed auf das Recycling von Lithium Ionen Batterien (LIB) auseinander. Bei dieser Technologie wird, im Gegensatz zu derzeit am Markt verfügbaren pyrometallurgischen Prozessen, Lithium nicht verschlackt, sondern über den Gasstrom rückgewonnen. Die Forschungsergebnisse mit Kathodenmaterialien aus der Batterieproduktion sehen bezüglich der Lithiumverwertung vielversprechend aus. Jedoch ging aus Versuchen am Lehrstuhl hervor, dass die vom InduRed-Konzept verlangte Schmelzfähigkeit vom LIB Aktivmaterial aus dem Abfallstrom nicht gegeben ist. Dieses LIB Aktivmaterial besteht neben dem Kathodenmaterial auch aus Anodenmaterial (Grafit) und Verunreinigungen der Elektrodenableiterfolien aus Kupfer und Aluminium. Weitere aus der genannten Erkenntnis resultierende Untersuchungen mit den Kathodenmaterialien zeigten, dass das Materialverhalten vor allem durch die Aluminiumverunreinigungen und den Kohlenstoff ungünstig beeinflusst werden. Aufgrund dessen beschäftigt sich diese Arbeit mit dem Einfluss von Aluminium und Kohlenstoff auf die kommerziell genutzten Kathodenmaterialien NMC (in der Konfiguration 6:2:2), NCA, LCO und LFP. Mithilfe eines Erhitzungsmikroskops wurden eingehende Untersuchungen hinsichtlich des Materialverhaltens bei Hochtemperaturanwendung und unter Zugabe von potenziellen Störelementen wie Aluminium und Kohlenstoff durchgeführt. Die generierten Ergebnisse wurden folglich in einem Al-C-Kathodenmaterial-System im dreidimensionalen Raum bei einer bestimmten Temperatur dargestellt. Durch die Interpolation der Datenpunkte aus den Versuchen entstand eine Oberfläche im Raum. Die geschilderte Betrachtungsweise ermöglicht neue Darstellungsmöglichkeiten und darauf basierend neue Diskussions- und Interpretationsmöglichkeiten des Einflusses von Aluminium und Kohlenstoff auf das Verhalten der genannten Kathodenmaterialien. Die wesentlichste Erkenntnis daraus ist, dass die für den optimalen Schmelzpunkt benötigte Kohlenstoffkonzentration unter dem stöchiometrischen Kohlenstoffbedarf liegt. Das wiederum wird der höheren Sauerstoffaffinität von Aluminium gegenüber Kohlenstoff zugeschrieben. Zusätzlich zeigt der Zusammenhang zwischen der C- und Al- Konzentration, dass sich die zulässige Aluminiumkonzentration durch Kohlenstoffreduktion in den Mischungen erhöhen kann. Die Reduktion des Kohlenstoffs kann aber nur bis zu einer Mindestkohlenstoffkonzentration erfolgen. Somit konnten Grenzen einer schmelzfähigen Zone für jedes Kathodenmaterial definiert werden.

AB - Diese Arbeit setzt sich mit der Anwendbarkeit des am Lehrstuhl für Thermoprozesstechnik entwickelten pyrometallurgischen Reaktorkonzepts InduRed auf das Recycling von Lithium Ionen Batterien (LIB) auseinander. Bei dieser Technologie wird, im Gegensatz zu derzeit am Markt verfügbaren pyrometallurgischen Prozessen, Lithium nicht verschlackt, sondern über den Gasstrom rückgewonnen. Die Forschungsergebnisse mit Kathodenmaterialien aus der Batterieproduktion sehen bezüglich der Lithiumverwertung vielversprechend aus. Jedoch ging aus Versuchen am Lehrstuhl hervor, dass die vom InduRed-Konzept verlangte Schmelzfähigkeit vom LIB Aktivmaterial aus dem Abfallstrom nicht gegeben ist. Dieses LIB Aktivmaterial besteht neben dem Kathodenmaterial auch aus Anodenmaterial (Grafit) und Verunreinigungen der Elektrodenableiterfolien aus Kupfer und Aluminium. Weitere aus der genannten Erkenntnis resultierende Untersuchungen mit den Kathodenmaterialien zeigten, dass das Materialverhalten vor allem durch die Aluminiumverunreinigungen und den Kohlenstoff ungünstig beeinflusst werden. Aufgrund dessen beschäftigt sich diese Arbeit mit dem Einfluss von Aluminium und Kohlenstoff auf die kommerziell genutzten Kathodenmaterialien NMC (in der Konfiguration 6:2:2), NCA, LCO und LFP. Mithilfe eines Erhitzungsmikroskops wurden eingehende Untersuchungen hinsichtlich des Materialverhaltens bei Hochtemperaturanwendung und unter Zugabe von potenziellen Störelementen wie Aluminium und Kohlenstoff durchgeführt. Die generierten Ergebnisse wurden folglich in einem Al-C-Kathodenmaterial-System im dreidimensionalen Raum bei einer bestimmten Temperatur dargestellt. Durch die Interpolation der Datenpunkte aus den Versuchen entstand eine Oberfläche im Raum. Die geschilderte Betrachtungsweise ermöglicht neue Darstellungsmöglichkeiten und darauf basierend neue Diskussions- und Interpretationsmöglichkeiten des Einflusses von Aluminium und Kohlenstoff auf das Verhalten der genannten Kathodenmaterialien. Die wesentlichste Erkenntnis daraus ist, dass die für den optimalen Schmelzpunkt benötigte Kohlenstoffkonzentration unter dem stöchiometrischen Kohlenstoffbedarf liegt. Das wiederum wird der höheren Sauerstoffaffinität von Aluminium gegenüber Kohlenstoff zugeschrieben. Zusätzlich zeigt der Zusammenhang zwischen der C- und Al- Konzentration, dass sich die zulässige Aluminiumkonzentration durch Kohlenstoffreduktion in den Mischungen erhöhen kann. Die Reduktion des Kohlenstoffs kann aber nur bis zu einer Mindestkohlenstoffkonzentration erfolgen. Somit konnten Grenzen einer schmelzfähigen Zone für jedes Kathodenmaterial definiert werden.

KW - Lithium-Ionen Batterie

KW - Recycling

KW - Pyrometallurgie

KW - Al-C-Verunreinigungen

KW - Kathodenmaterialien

KW - Hochtemperaturverhalten

KW - Schmelzbereiche

M3 - Masterarbeit

ER -