TY - THES

T1 - Potenzialabschätzung der Laugung von Aktivmaterial aus verbrauchten Lithium-Ionen-Batterien unter der Verwendung von organischen Säuren

AU - Schinnerl, Clemens

N1 - nicht gesperrt

PY - 2021

Y1 - 2021

N2 - Im Rahmen der aus dem Klimawandel resultierenden Energietransformation liegt die Zukunft des Verkehrs in elektrischen Antriebssystemen. Hier hebt sich die Lithium-Ionen-Batterie (LIB) durch ihre Eigenschaften wie Energiedichte und einer geringen Selbstentladungsrate von allen anderen Speichermedien ab. Mit der Produktionszunahme an E Autos geht auch eine Steigerung der erzeugten LIBs einher. Diese sind als Gefahrenstoff deklariert und müssen nach ihrer Nutzungsperiode einer sinnvollen Verwertung zugeführt werden. Um den Stoffkreislauf zu schließen und die Versorgungssicherheit für die teilweise kritischen Rohstoffe zu garantieren, erweisen sich unterschiedliche Recyclingmethoden als sinnvolle Alternative. Das im Falle der E Mobilität verwendete Aktivmaterial in den Lithium-Ionen-Batterien ist in den meisten Fällen ein NMC Mischoxid (Nickel Mangan-Kobalt). Hier machen vor allem die hohen Preise der Wertmetalle eine Rückgewinnung aus ökonomischer Sicht lukrativ. Aber mit dem steigenden Umweltbewusstsein der Bevölkerung sind die ökologischen Aspekte bei der industriellen Prozessentwicklung nicht zu vernachlässigen. Bei hydrometallurgischen Recyclingverfahren erweist sich der Einsatz von organischen Säuren als Laugungsreagenz hinsichtlich ihrer Eigenschaften wie etwa einer geringen Emission toxischer Gase, dem Reaktionsvermögen bei niedrigen Temperaturen oder ihrer biologischen Abbaubarkeit als besonders geeignet. Diese Arbeit soll im theoretischen Teil ein Verständnis von den chemischen Mechanismen der Auflösung, der Reaktionskinetik und von den in der Literatur dokumentierten Phänomen bei hydrometallurgischen Recyclingprozessen geben. Im Rahmen des experimentellen Teils erfolgte die Durchführung von Laugungsversuchen mit Ameisen-, Oxal-, Zitronen- und Ascorbinsäure als Laugungsreagenz und der gezielten Verwendung von Wasserstoffperoxid als Reduktionsmittel. Die Planung der Experimente erfolgte mit dem statistischen Versuchsplanungs- und -auswertungsprogramm MODDE 12, welches über einen vollfaktoriellen Versuchsplan und unter der Verwendung statistischer Methoden Datenpunkte der Metallkonzentration in der Lösung errechnet. Das Zusammenfassen der Ergebnisse in Konturdiagrammen gibt anschließend Aufschluss, welche Elemente bevorzugt oder selektiv, bei den entsprechend betrachteten Parametern Zeit und Temperatur in die Lösung übergehen.

AB - Im Rahmen der aus dem Klimawandel resultierenden Energietransformation liegt die Zukunft des Verkehrs in elektrischen Antriebssystemen. Hier hebt sich die Lithium-Ionen-Batterie (LIB) durch ihre Eigenschaften wie Energiedichte und einer geringen Selbstentladungsrate von allen anderen Speichermedien ab. Mit der Produktionszunahme an E Autos geht auch eine Steigerung der erzeugten LIBs einher. Diese sind als Gefahrenstoff deklariert und müssen nach ihrer Nutzungsperiode einer sinnvollen Verwertung zugeführt werden. Um den Stoffkreislauf zu schließen und die Versorgungssicherheit für die teilweise kritischen Rohstoffe zu garantieren, erweisen sich unterschiedliche Recyclingmethoden als sinnvolle Alternative. Das im Falle der E Mobilität verwendete Aktivmaterial in den Lithium-Ionen-Batterien ist in den meisten Fällen ein NMC Mischoxid (Nickel Mangan-Kobalt). Hier machen vor allem die hohen Preise der Wertmetalle eine Rückgewinnung aus ökonomischer Sicht lukrativ. Aber mit dem steigenden Umweltbewusstsein der Bevölkerung sind die ökologischen Aspekte bei der industriellen Prozessentwicklung nicht zu vernachlässigen. Bei hydrometallurgischen Recyclingverfahren erweist sich der Einsatz von organischen Säuren als Laugungsreagenz hinsichtlich ihrer Eigenschaften wie etwa einer geringen Emission toxischer Gase, dem Reaktionsvermögen bei niedrigen Temperaturen oder ihrer biologischen Abbaubarkeit als besonders geeignet. Diese Arbeit soll im theoretischen Teil ein Verständnis von den chemischen Mechanismen der Auflösung, der Reaktionskinetik und von den in der Literatur dokumentierten Phänomen bei hydrometallurgischen Recyclingprozessen geben. Im Rahmen des experimentellen Teils erfolgte die Durchführung von Laugungsversuchen mit Ameisen-, Oxal-, Zitronen- und Ascorbinsäure als Laugungsreagenz und der gezielten Verwendung von Wasserstoffperoxid als Reduktionsmittel. Die Planung der Experimente erfolgte mit dem statistischen Versuchsplanungs- und -auswertungsprogramm MODDE 12, welches über einen vollfaktoriellen Versuchsplan und unter der Verwendung statistischer Methoden Datenpunkte der Metallkonzentration in der Lösung errechnet. Das Zusammenfassen der Ergebnisse in Konturdiagrammen gibt anschließend Aufschluss, welche Elemente bevorzugt oder selektiv, bei den entsprechend betrachteten Parametern Zeit und Temperatur in die Lösung übergehen.

KW - Lithium-ion battery

KW - recycling

KW - sustainability

KW - organic acids

KW - Lithium-Ionen-Batterie

KW - Recycling

KW - Nachhaltigkeit

KW - organische Säuren

M3 - Masterarbeit

ER -