Reinigung von Emissionen aus dem Recycling und der Produktion von Batterien

Sowohl bei der Batterieproduktion als auch beim Recycling entstehen verunreinigte Emissionen, die behandelt werden müssen, bevor sie in die Umwelt gelangen können. Bei der Batterieproduktion sind die verunreinigten Luftemissionen das größere Problem, während beim Recycling sowohl die verunreinigte Luft als auch das Abwasser ein Problem darstellen können.

Wichtige Schadstoffe aus der Batterieproduktion und dem Recycling:

• N-Methyl-2-Pyrrolidon (NMP) aus dem Beschichtungsprozess;
  
• Kohlensäureester wie Dimethylcarbonat (DMC) und Ethylmethylcarbonat (EMC) als Elektrolytlösungsmittel bei der Zellfüllung.
  
• Fluorwasserstoff (HF), wenn die Leitsalze, z. B. LiPF6 , mit Feuchtigkeit in Berührung kommen oder das 
• Bindemittel PVDF zerfällt, insbesondere im Recyclingprozess
  

NMP ist aufgrund seiner Toxizität als besonders besorgniserregender Stoff eingestuft und unterliegt daher sehr strengen Emissionsgrenzwerten, die oft weit unter den üblichen VOC-Grenzwerten liegen. Um diese Emissionen in den Griff zu bekommen, müssen die Unternehmen entweder eine effiziente Reinigungsanlage installieren oder auf alternative Moleküle umsteigen. Heute ist NMP aufgrund seiner bewährten Verarbeitbarkeit das bevorzugte Beschichtungslösungsmittel. Alternative Lösungsmittel für den Beschichtungsprozess wie Triethylphosphat (TEP) oder Ethylacetoacetat (EAA) sind möglicherweise weniger schädlich, obwohl ihre Funktionsfähigkeit in großem Maßstab noch nicht nachgewiesen ist. Obwohl für sie keine so strengen Emissionsgrenzwerte gelten wie für NMP, sind sie für Unternehmen aus Gründen der Nachhaltigkeit dennoch von Belang.
DMC und EMC sind weniger gefährlich, aber sehr flüchtig und lichtempfindlich. Genau wie die Emissionen aus dem Beschichtungsprozess müssen auch sie entfernt werden. HF ist ätzend und giftig und sollte daher gereinigt werden.

Herstellung von Batterien: Es gibt mehrere Stufen des Produktionsprozesses, die verunreinigte Luftemissionen verursachen.

Dazu gehören: die Entlüftung der Lösungsmitteltanks (NMP, DMC/EMC), die Beschichtung der Kathoden (NMP), die Injektion von Elektrolyten in die Batterie (DMC/EMC) und das interne Recycling bereits gefüllter Batterien, bei dem im Allgemeinen DMC und EMC freigesetzt werden.

Die Durchflussmengen variieren zwischen den verschiedenen Stufen, können aber hoch sein, sogar bis zu 30-40 000 m³/h. Die Konzentrationen in diesen Luftströmen sind in der Regel niedrig und liegen bei 2-30 mg/Nm³. Auf dem Markt sind jedoch Emissionsgrenzwerte von 1 mg/Nm³ NMP und 10 mg/Nm³ DMC/EMC beobachtet worden.

DESOTEC hat für einige der verschiedenen Stufen Filter unterschiedlicher Größe installiert, nämlich mehrere Aircon 2000 und 3000, zwei AIRCON V-XL und Aircon V-L mit Airconnect-System in europäischen Batterieproduktionsstätten, um die oben genannten Emissionen zu behandeln.

Batterie-Recycling:

Auch hier können die Emissionen in mehreren Stufen freigesetzt werden. Der Schredderprozess ist eine bedeutende Quelle. Dabei werden die Feststoffe von den Flüssigkeiten getrennt, indem die Batterien zu einem Granulat zerkleinert und anschließend saure Gase wie Flusssäure und Lösungsmittel verdampft werden. Insbesondere bei Anwesenheit von Feuchtigkeit oder Sauerstoff bilden sich jedoch saure Gase wie Flusssäure oder Phosphortrifluorid, z. B. aus dem Leitsalz LiPF6 oder Polymeren wie PVDF. Die organischen Verbindungen wie Bindemittel, Folie und Elektrolyte können zu einer Emission komplexer Zersetzungsprodukte führen, die z. B. Ethen enthalten. Daher werden häufig nasse alkalische Wäscher zur Entfernung von HF eingesetzt. Eine wirksame Entfernung der flüchtigen organischen Verbindungen kann dann durch den nachgeschalteten Einsatz von Aktivkohle erreicht werden.

Die Durchflussmengen sind gering, in der Regel einige hundert m³/h, aber die VOC-Konzentrationen sind hoch und liegen oft bei 1-10 g/m³.

Die verdampften Elektrolytlösungsmittel (DMC/EMC usw.) können kondensiert und in Tanks gelagert werden, die Emissionen durch Entlüftungsöffnungen abgeben. Das getrocknete Granulat (oft als schwarze Masse bezeichnet) enthält Metalle, darunter Aluminium, Nickel, Kobalt, Lithium und auch Graphit. Die Metalle werden durch thermische oder hydrothermale Verfahren aus der schwarzen Masse extrahiert. Bei der letztgenannten hydrometallurgischen Behandlung werden Lösungsmittel verwendet, die in die Luft und ins Wasser gelangen können.

Während heute der Schwerpunkt des Recyclings zunächst auf den Schwermetallen liegt, wurden mit dem Green Deal der EU und der Batterierichtlinie ehrgeizige Recyclingziele festgelegt, die auch Lithium betreffen. Viele Unternehmen prüfen jedoch auch die Machbarkeit der Rückgewinnung von Elektrolyten und Graphit. Bei der Metallextraktion können auch Lösungsmittel oder Löslichkeitsveränderer verwendet werden, die sich in den Luftemissionen wiederfinden können. Dies ist eine weitere mögliche Anwendung der Aktivkohlefiltration.

DESOTEC kann entweder eine große Filtereinheit oder mehrere kleinere Filter in Reihe liefern. Dies hängt weitgehend von den Bedürfnissen des Kunden ab, einschließlich der Verfügbarkeit von Platz am Standort.

Bei der Herstellung oder dem Recycling von Batterien werden verdampfte organische Lösungsmittel oder Elektrolyte kondensiert und der Produktion wieder zugeführt. Mit zunehmender Effizienz dieses Prozesses muss jedoch weniger Lösungsmittel- oder Elektrolytvorlage verwendet werden. Dies kann zu einer Anreicherung von Verunreinigungen in den zirkulierenden organischen Stoffen führen, was wiederum negative Auswirkungen auf das Produkt haben kann. Aktivkohle ist dafür bekannt, dass sie Verunreinigungen in organischen Lösungsmitteln wie aromatische oder halogenierte Verbindungen wirksam entfernt.

Die hydrometallurgische Abtrennung von Lithium von den Schwermetallen durch Hydroxylfällung hinterlässt eine Lithiumsulfat-haltige Sole mit organischen Verunreinigungen aus den Elektrolyten, Fluor- oder Phospor-haltigen Zersetzungsprodukten, die als TOC (total organic carbon) gemessen werden. Die Filtration dieser Lösung mit Aktivkohle vor der Weiterverarbeitung hat sich als sehr vielversprechend erwiesen.