Lithium, Nickel, Kobalt, Kupfer und Graphit sind Rohstoffe aus Lithium-Ionen-Batterien, die nach dem Ende ihrer Nutzungsdauer zurückgewonnen werden können. Mit der Verbreitung von Elektrofahrzeugen und batteriebetriebenen Geräten wird die industrielle Aufbereitung dieser Energiespeicher wichtiger. Dabei gibt es unterschiedliche Recyclingverfahren, die sich in der Prozessführung, dem Energiebedarf und der Materialrückgewinnung unterscheiden: Pyrometallurgie, Pyrolyse oder mechanisches Recycling. Bei letzterem werden die demontierten Batteriemodule oder kleinere Komplettbatterien, etwa aus mobilen elektronischen Geräten, nach dem Entladen zerkleinert. Dieser Prozess erfolgt unter Schutzgasatmosphäre, beispielsweise mit Stickstoff, oder unter Vakuumbedingungen. Das verhindert, dass sich brennbare Elektrolytbestandteile entzünden.
Vakuumtrocknung entfernt flüchtige Bestandteile
Vor der weiteren Aufbereitung müssen flüchtige Bestandteile des Elektrolyten aus dem zerkleinerten Material entfernt werden. Hierfür eignet sich die Vakuumtrocknung. In einem geschlossenen Behälter wird dem Material Wärme zugeführt und gleichzeitig der Druck abgesenkt. Die Dämpfe werden über das Vakuumsystem abgeführt und können vor oder hinter den Pumpen kondensiert werden. Abhängig von ihrer Zusammensetzung und Reinheit ist anschließend eine weitere Aufbereitung oder Wiederverwendung möglich.
Eine wesentliche Herausforderung bei der Vakuumtrocknung sind die entzündlichen und teils chemisch aggressiven Lösemitteldämpfe. Die Vakuumpumpen müssen deshalb für den Umgang mit diesen Prozessgasen ausgelegt sein. Kritisch ist die Kondensation innerhalb der Pumpen. Flüssige oder sich ablagernde Bestandteile können den Betrieb beeinträchtigen. Zudem müssen die Wellendichtungen verhindern, dass Prozessgase in ölgeschmierte Lagerräume gelangen.
Hermetisch dichte Pumpengehäuse begrenzen sowohl den Austritt von Prozessgasen als auch den Eintritt von Umgebungsluft. Das senkt das Risiko, dass sich zündfähige Gasgemische bilden.
Nach der Trocknung werden die Materialfraktionen mechanisch voneinander getrennt. Zentral ist dabei die „Black Mass“, ein feinkörniges Gemisch. Diese Fraktion wird von Folien, Kunststoffen und weiteren Bestandteilen getrennt. Die Kunststoffreste werden überwiegend verbrannt.
Aus der „Black Mass“ lassen sich durch hydrometallurgische Verfahren Nickel, Kobalt und Lithium zurückgewinnen. Dabei werden die Metalle mithilfe wässriger Lösungen herausgelöst und anschließend getrennt aufbereitet. Auch Kupfer, Eisen und Graphit können zurückgewonnen werden.
Vakuumpumpen müssen besonderen Bedingungen standhalten
Für die Vakuumtrocknung im Batterierecycling stehen verschiedene Pumpenarten zur Verfügung. Ihre Auswahl richtet sich nach der Zusammensetzung der Prozessgase, dem Druckbereich, dem Saugvermögen und der Belastung durch kondensierbare Bestandteile.
Leybold setzt für entsprechende Anwendungen unter anderem trockenverdichtende Schraubenvakuumpumpen der Baureihe Dryvac ein. Diese verfügen über hermetisch dichte Gehäuse und sind für die Förderung kondensierbarer Dämpfe ausgelegt. Ein mit Sperrgas betriebenes Wellendichtungssystem verhindert, dass Prozessgase in die Lagerräume gelangen.
Bei Prototypenanlagen oder Recyclingprozessen mit unterschiedlichen Eingangsmaterialien können zusätzliche Verunreinigungen auftreten. Neben den Elektrolytlösemitteln gelangen beispielsweise niedermolekulare Kunststoffbestandteile in die Gasphase. Kondensieren diese im Vakuumsystem, können sich Ablagerungen bilden, die das Saugvermögen beeinträchtigen oder die Pumpen zusetzen.
Für solche Anwendungen bietet der Hersteller die ebenfalls trockenverdichtenden Schraubenvakuumpumpen der Baureihe Screwline an. Sie verfügen über innengekühlte Rotoren, deren niedrige Betriebstemperaturen die thermische Zersetzung organischer Ablagerungen begrenzen.
Durch die fliegende Lagerung der Rotoren lässt sich der Schöpfraum für Reinigungsarbeiten demontieren. Auf diese Weise können Betreiber Ablagerungen im Pumpeninneren entfernen, ohne die gesamte Vakuumpumpe zerlegen zu müssen.
Bei niedrigen Betriebsdrücken, wie sie für die Vakuumtrocknung typisch sind, können Wälzkolbenpumpen das Saugvermögen erhöhen. Hierfür bietet Leybold unter anderem die hermetisch dichten Vakuumgebläse der Baureihe Ruvac WH an.
Neben einzelnen Vakuumpumpen umfasst das Angebot vollständige Vakuumsysteme mit Kondensatoren, Lösemittelsammelbehältern sowie Mess- und Regelungstechnik. Die Kondensatoren dienen dazu, die aus dem Trockner abgeführten Lösemitteldämpfe zu verflüssigen und für eine weitere Behandlung oder Wiederverwendung bereitzustellen.
Richtige Dimensionierung entscheidet über Wirtschaftlichkeit
Für einen wirtschaftlichen und stabilen Trocknungsprozess müssen das Saugvermögen der Pumpen und die Kondensatoren aufeinander abgestimmt sein. Entscheidend ist, dass der Druck im Trockner unterhalb des Sättigungsdampfdrucks des Lösemittelgemischs liegt. Dieser hängt von der Zusammensetzung der Lösemittel und der Temperatur ab.
Eine größere Pumpenleistung führt dabei nicht zwangsläufig zu einer kürzeren Trocknungszeit. Zwar kann ein höheres Saugvermögen den Druck weiter reduzieren, die Verdampfungsrate wird jedoch wesentlich durch die dem Trockner zugeführte Wärmeenergie begrenzt. Eine Überdimensionierung kann deshalb den Energiebedarf und die Investitionskosten erhöhen, ohne eine Produktivitätssteigerung zu bewirken.
Für die Auslegung sind insbesondere der Arbeitsdruck, die Lösemittelmenge, die Temperaturführung und die Eigenschaften des zu trocknenden Materials zu berücksichtigen.
Neben dem Energieverbrauch beeinflussen Wartungsintervalle und Betriebsstabilität die Wirtschaftlichkeit des Recyclingprozesses. Fällt das Vakuumsystem aus, kann die Trocknung nicht fortgesetzt werden. Dies wirkt sich auf die nachgeschaltete Prozesskette aus.
Entsprechend wichtig sind eine geringe Anfälligkeit gegenüber Ablagerungen, Dichtungssysteme und eine wartungsgerechte Konstruktion. Die vergleichsweise niedrigen Betriebstemperaturen bestimmter trockenverdichtender Pumpen tragen dazu bei, die Bildung schwer entfernbarer Rückstände aus organischen Prozessgasbestandteilen zu begrenzen.