TY - THES

T1 - Rückgewinnung von kritischen Elementen aus Lithium-Eisenphosphat-Kathodenmaterial

AU - Lerchbammer, Reinhard

N1 - nicht gesperrt

PY - 2022

Y1 - 2022

N2 - Der Bedarf an Lithium-Ionen-Batterien als stationäre sowie mobile Energiespeicher steigt stetig an. Die Gründe liegen sowohl im wirtschaftlichen Wachstum und dem damit einhergehenden Bedürfnis nach Wohlstand als auch in der Ökologisierung der Volkswirtschaften aufgrund der klimatischen Veränderungen. Lithium-Ionen-Batterien sind deshalb von hohem Interesse, da Lithium eine hohe spezifische Ladung mit einem niedrigen Standardpotenzial von -3,05 V gegen die Standardwasserstoffelektrode aufweist. Außerdem sind Lithium-Ionen-Akkumulatoren reaktiv, gut skalierbar und dezentral installierbar. Hohes Forschungsinteresse besteht bei der Entwicklung von Energiespeichersystemen hinsichtlich Sicherheit, Zyklenstabilität und Recyclingfähigkeit. Gerade deshalb sticht bei den verschiedenen Kathodenmaterialen Lithium-Eisenphosphat hervor, da es eine hohe Zyklenstabilität und eine außergewöhnlich hohe thermische Stabilität aufweist. Zudem ist diese Art von Material schnelllade- und entladefähig und Eisen aufgrund seiner relativen Häufigkeit in der Erdkruste besonders preisgünstig. Die Nachteile wie eine schlechtere elektrische und Lithium-Ionen-Leitfähigkeit können außerdem durch entsprechende Maßnahmen verbessert werden. Nachholbedarf besteht hinsichtlich eines stabilen Recyclingprozesses. Die verschiedenen Recyclingrouten lassen sich grob in Pyro- und Hydrometallurgie unterteilen, wobei der hydrometallurgische Weg durch die Möglichkeit eine hohe Selektivität bei entsprechender Produktreinheit zu gewährleisten, für künftige Recyclingaktivitäten von hohem Interesse ist. Ziel dieser Arbeit ist es, optimierte Prozessparameter für einen möglichen, preiswerten Laugungsschritt innerhalb der hydrometallurgischen Recyclingroute zu finden. Dabei sind die Laugungsdauer und -temperatur, das Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnis, die Säurekonzentration sowie die nötige Menge an Oxidationsmittel von Bedeutung. Für die Abbildung eines möglichst wirtschaftlichen Verfahrens findet Schwefelsäure als Laugungsmittel sowie Wasserstoffperoxid als Oxidationsmittel Verwendung. Im Rahmen der Arbeit konnte festgestellt werden, dass eine ökonomische Prozessabbildung durch niedrige Temperaturen bei entsprechend langen Laugungsdauern und einer hohen Säurekonzentration sowie einem geringen Einsatz von Oxidationsmitteln möglich ist. Eine Erhöhung des Feststoff-Flüssigkeit-Verhältnisses kann zusätzlich die Ausbeute verbessern. Überdies führt eine entsprechende Wahl der Parameter zu einer hohen Lithiumausbeute bei geringen Mengen an Eisen in der Lösung, wodurch eine hohe Selektivität des Laugungsprozesses erzielt werden kann.

AB - Der Bedarf an Lithium-Ionen-Batterien als stationäre sowie mobile Energiespeicher steigt stetig an. Die Gründe liegen sowohl im wirtschaftlichen Wachstum und dem damit einhergehenden Bedürfnis nach Wohlstand als auch in der Ökologisierung der Volkswirtschaften aufgrund der klimatischen Veränderungen. Lithium-Ionen-Batterien sind deshalb von hohem Interesse, da Lithium eine hohe spezifische Ladung mit einem niedrigen Standardpotenzial von -3,05 V gegen die Standardwasserstoffelektrode aufweist. Außerdem sind Lithium-Ionen-Akkumulatoren reaktiv, gut skalierbar und dezentral installierbar. Hohes Forschungsinteresse besteht bei der Entwicklung von Energiespeichersystemen hinsichtlich Sicherheit, Zyklenstabilität und Recyclingfähigkeit. Gerade deshalb sticht bei den verschiedenen Kathodenmaterialen Lithium-Eisenphosphat hervor, da es eine hohe Zyklenstabilität und eine außergewöhnlich hohe thermische Stabilität aufweist. Zudem ist diese Art von Material schnelllade- und entladefähig und Eisen aufgrund seiner relativen Häufigkeit in der Erdkruste besonders preisgünstig. Die Nachteile wie eine schlechtere elektrische und Lithium-Ionen-Leitfähigkeit können außerdem durch entsprechende Maßnahmen verbessert werden. Nachholbedarf besteht hinsichtlich eines stabilen Recyclingprozesses. Die verschiedenen Recyclingrouten lassen sich grob in Pyro- und Hydrometallurgie unterteilen, wobei der hydrometallurgische Weg durch die Möglichkeit eine hohe Selektivität bei entsprechender Produktreinheit zu gewährleisten, für künftige Recyclingaktivitäten von hohem Interesse ist. Ziel dieser Arbeit ist es, optimierte Prozessparameter für einen möglichen, preiswerten Laugungsschritt innerhalb der hydrometallurgischen Recyclingroute zu finden. Dabei sind die Laugungsdauer und -temperatur, das Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnis, die Säurekonzentration sowie die nötige Menge an Oxidationsmittel von Bedeutung. Für die Abbildung eines möglichst wirtschaftlichen Verfahrens findet Schwefelsäure als Laugungsmittel sowie Wasserstoffperoxid als Oxidationsmittel Verwendung. Im Rahmen der Arbeit konnte festgestellt werden, dass eine ökonomische Prozessabbildung durch niedrige Temperaturen bei entsprechend langen Laugungsdauern und einer hohen Säurekonzentration sowie einem geringen Einsatz von Oxidationsmitteln möglich ist. Eine Erhöhung des Feststoff-Flüssigkeit-Verhältnisses kann zusätzlich die Ausbeute verbessern. Überdies führt eine entsprechende Wahl der Parameter zu einer hohen Lithiumausbeute bei geringen Mengen an Eisen in der Lösung, wodurch eine hohe Selektivität des Laugungsprozesses erzielt werden kann.

KW - Recycling

KW - Lithium-ion battery

KW - LFP cathode material

KW - Lithium recovery

KW - Recycling

KW - Lithium-Ionen-Batterie

KW - LFP-Kathodenmaterial

KW - Lithium-Rückgewinnung

M3 - Masterarbeit

ER -