SI/502418

Schlussbericht

Lithium-Ionen-Batterien (LIB) spielen eine entscheidende Rolle in der Energiewende. Am Ende ihrer Lebensdauer (EoL) werden die LIBs vor pyrometallurgischer und/oder hydrometallurgischer Behandlung zerkleinert und sortiert. Diese Recyclingprozesse zerstören die Materialmorphologie und sind energie- sowie chemikalienintensiv. Die Kyburz Switzerland AG hat mit Unterstützung des Bundesamts für Energie ein innovatives Recyclingverfahren entwickelt, welches die LIBs effizient in Materialfraktionen hoher Reinheit zerlegt, wobei die Aktivmaterialien ihre Kristallstrukturen beibehalten. Es können 93 % der Eingangsmasse als Ouputmaterialien zurückgewonnen werden. Die Recyclingeffizienz des Verfahrens wurde gemäss den Vorgaben der EU-Batterieverordnung (EU) 2023/1542 bewertet. Die zurückgewonnenen Kunststofffraktionen, die 27.5 % der Ouputmaterialien ausmachen, können gemäß der Verordnung nicht den Outputfraktionen angerechnet werden, da sie verbrannt werden müssen. Daraus ergibt sich eine Gesamtrecyclingeffizienz von 67.5 %, was über dem bis Ende 2025 gef orderten Wert von 65 % liegt. Der derzeitige Trend hin zu metallischen Zellgehäusen, die die Kunststoffgehäuse ersetzen, wird die Recyclingeffizienz erhöhen, da sie für deren Berechnung berücksichtigt werden können. Ausserdem wurde die Rückgewinnungsrate von Kupfer und Lithium als spezifische Zielmaterialien der EU-Batterieverordnung berechnet. Da während des gesamten Prozesses kein Kupfer verloren geht, beträgt die Kupferrückgewinnung 100 %, was über den bis Ende 2027 geforderten 90 % liegt. 67.7% des zugeführten Lithiumgehalts können in Form des FePO4/LiFePO4-Aktivmaterials zurückgewonnen werden. Das sind 17.7 % mehr als die bis Ende 2027 geforderten 50 %. Zudem wurde das Prozesswasser als potenzielle zusätzliche Lithiumquelle identifiziert. Die Materialcharakterisierung zeigte, dass beide zurückgewonnenen Aktivmaterialien – das FePO4/LiFePO4 der positiven Elektrode und das Graphit der negativen Elektrode –intakte Kristallstrukturen aufwiesen. Das FePO4/LiFePO4-Verhältnis war 27:73, selbst nach der Verarbeitung von 90 kg positiver Elektroden. Allerdings wurde festgestellt, dass der Zellhersteller zwischen verschiedenen Zellgenerationen einen Teil des leitfähigen Graphitzusatzes durch Carbon Black ersetzt hat. Dadurch wurde der Graphitanteil von etwa 7 % auf ca. 0.7 % reduziert, was zu Unterschieden in den Outputfraktionen führen kann. Das Graphit der negativen Elektrode konnte nach effizienter Entfernung des Prozesswassers mit einem Trockengehalt von 70 % zurückgewonnen werden. Dadurch wurden zudem potenzielle Verunreinigungen durchs Prozesswasser vermieden. Die Entladungskapazität des zurückgewonnenen FePO4/LiFePO4-Materials erreichte ca. 90 mAh/g, was 70 % des Referenzmaterials entspricht. Das zurückgewonnene Graphitmaterial erreichte ca. 300 mAh/g, was ca. 85 % des Referenzwerts entspricht. Die ökologischen Auswirkungen des KYBURZ-Recyclingverfahrens für LiFePO4 - Graphit-Batteriezellen wurden mit Hife einer Ökobilanz untersucht . Das KYBURZ-Verfahren weist mit 0.76 kg CO2-eq. pro Kilogramm rezyklierter Batteriezelle einen deutlich geringeren CO2-Fußabdruck auf als hydro- und pyrometallurgische Recyclingverfahren. Diese verursachen 1.4–2.2 kg CO2-eq. im Fall der Hydrometallurgie sowie 1.8–2.4 kg CO2-eq. im Fall der Pyrometallurgie. Die Entsorgung der Plastikfraktionen wurde als Hauptverursacher der Umweltbelastung identifiziert. Ein Wechsel von Kunststoff - zu Metallgehäusen wird die Umweltbelastung des KYBURZ-Verfahrens somit weiter verringern. Zusammenfassend wurde ein effizientes Recyclingverfahren entwickelt, das die Rückgewinnung von 93 % der Eingangsmasse ermöglicht. Die Vorgaben der EU-Batterieverordnung werden erfüllt, da die Recyclingeffizienz bei 67.5 % liegt und die Rückgewinnungsraten von Kupfer und Lithium 100 % bzw. 67.7 % betragen. Die zurückgewonnenen Aktivmaterialien behalten ihre Kristallstruktur bei und es wurden keine Nebenphasen entdeckt. Allerdings zeigt das zurückgewonnene FePO4/LiFePO4 ein Lithiumdeizit und im zurückgewonnenen Graphit könnte restliches Lithium interkaliert sein. Zudem zeigte die LCA, dass das Recyclingverfahren von KYBURZ eine geringere CO2-Belastung aufweist als konventionelle Recyclingverfahren.