Vakuumtechnik als Schlüssel im Batterierecycling

Mit der weltweit wachsenden Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien – vor allem aufgrund von Elektromobilität und erneuerbaren Energien – steigt auch der Bedarf an fortschrittlichen Technologien für das Batterierecycling. Zu den wichtigsten Faktoren für ein sicheres und effizientes Recycling gehört die Vakuumtechnologie. Vakuumtechnologien spielen in mehreren wichtigen Prozessschritten eine entscheidende Rolle – von der Materialvorbereitung über die Lösemittelrückgewinnung bis hin zur Qualitätssicherung.

Dieser Artikel soll aufzeigen, wie verschiedene Vakuumtechnologien zu Leistung, Sicherheit und Umweltverträglichtkeit des modernen Batterierecyclings beitragen. Anstatt eine Einheitslösung vorzuschlagen, heben wir die spezifischen Vakuumanforderungen fünf verschiedener Prozessstufen hervor und erörtern die Vorteile und Grenzen der verfügbaren Lösungen.

Höhere Sicherheit beim Schreddern 

Wenn die Altbatterie vollständig entladen ist, wird sie geschreddert, um sie in ihre Bestandteile zu zerlegen. Das Schreddern von Altbatterien kann aufgrund der Flüchtigkeit von Materialien wie dem Flüssigelektrolyt gefährlich sein. Beim Schreddern entstehende Funken können den Elektrolyten entzünden und damit zu potenziell explosiven Bedingungen führen. 

Trockene Vakuumpumpen: Klauen- und Schraubentechnologien

Wenn es darum geht, im Schredderprozess eine inerte und kontaminationsfreie Atmosphäre zu schaffen, sind trockene Vakuumpumpen wie Klauen- oder Schrauben-Vakuumpumpen oft die erste Wahl. Sie evakuieren effektiv die Umgebungsluft, um die Einspeisung von Inertgasen wie Stickstoff zu ermöglichen, was die Entzündungsgefahr drastisch reduziert. Da sie ohne Öl betrieben werden, sind sie unempfindlich gegenüber Verunreinigungen des Betriebsmittels durch Prozessgase, abhängig von den eingeleiteten Gasen. Somit sind sie ideal für Anwendungen, in denen Sauberkeit und Gasreinheit unerlässlich sind.

Darüber hinaus sind trockene Vakuumpumpen energieeffizient, insbesondere im Dauerbetrieb, da sie keine Sperrflüssigkeiten oder Öle verwenden. Sie haben jedoch gewisse Einschränkungen: Die Exposition gegenüber korrosiven Dämpfen oder Partikeln, die während des Schredderns freigesetzt werden, kann zu Verschleiß führen, sofern keine korrosionsbeständigen Beschichtungen oder Materialien verwendet werden. Außerdem ist der Anschaffungspreis in der Regel höher als bei Vakuumpumpen, die mit einem Betriebsmittel laufen, wie z. B. ölgeschmierte oder Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen. 

Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen: robustes Handling von feuchten Gasen 

Beim Handling von Dampf gewinnen dann Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen an Bedeutung. Diese Vakuumpumpen eignen sich hervorragend für das Handling der während des Schredderns entstehenden feuchten Gase. Da sie keine kleinen Spalten aufweisen, kann es nicht zu mechanischer Reibung kommen, und sie lassen sich hinsichtlich der Entzündungsgefahr besser beurteilen. Zwar verbrauchen Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen beim Handling nicht kondensierbarer Gase im Allgemeinen mehr Energie als trockene Vakuumpumpen vergleichbarer Baugröße, doch beim Absaugen kondensierbarer Dämpfe können sie energieeffizienter sein, da die Kondensation in der Flüssigkeit das zu evakuierende Gasvolumen reduziert – was eine kleinere Vakuumpume und einen geringeren Energieverbrauch ermöglicht. Allerdings erfordern sie den Umgang mit Betriebsmitteln, was ein Nachteil in Bezug auf Betriebseffizienz und Umweltauswirkungen sein kann. 

Ölgeschmierte Drehschieber-Vakuumpumpen: die Kompromisslösung

Ölgeschmierte Drehschieber-Vakuumpumpen stehen als pragmatische Lösung für den Schredderprozess zwischen trockenen Technologien und solchen mit Betriebsmittel. Sie sind mechanisch einfach sowie kostengünstig und können moderate Dampfladungen bewältigen, während sie ein stabiles Vakuumniveau liefern.

Ihre Abhängigkeit von Öl birgt jedoch Kontaminationsrisiken und erfordert zusätzliche Bauteile wie Ölnebelabscheider sowie regelmäßige Wartungen. Darüber hinaus eignen sie sich weniger für explosionsgefährdete Umgebungen oder Anwendungen, die absolute Sauberkeit erfordern, sodass ihre Einsatzmöglichkeiten im direkten Kontakt mit flüchtigen Schredderumgebungen eingeschränkt sind. 

Berücksichtigung von ATEX-Anforderungen

In explosionsgefährdeten Schredderumgebungen kann der Einsatz von ATEX-zertifizierten Vakuumpumpen oder -systemen erforderlich sein, um die Entzündungsgefahr zu senken und die Einhaltung europäischer Sicherheitsrichtlinien zu gewährleisten. Eine ATEX-Zertifizierung ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Der Betreiber ist für die Durchführung einer umfassenden Risikobeurteilung und die Entscheidung über die Notwendigkeit zertifizierten Equipments verantwortlich. Je nach prozessspezifischen Gefahren – wie der Konzentration leicht entflammbarer Gase oder einer möglichen Funkenbildung – können ATEX-zertifizierte Lösungen zusätzliche (rechtliche) Sicherheit bieten. Die Wahl der Vakuumpumpe muss anhand der spezifischen Betriebs- und Sicherheitsanforderungen des Schredderprozesses erfolgen – dabei sollten Gaszusammensetzung, Entflammbarkeitsrisiko, Umweltschutz und Kostenstruktur berücksichtigt werden.

Effiziente Elektrolytentfernung während der Trocknung

Die Trocknungsphase ist entscheidend für die Entfernung des Elektrolyten nach dem Schreddern. Bei der Vakuumtrocknung wird der Siedepunkt flüchtiger Bestandteile gesenkt, sodass sie bei niedrigeren Temperaturen verdampfen können. Der erreichbare Basisdruck eines Vakuumsystems ist grundsätzlich durch das Pumpprinzip der verwendeten Technologie begrenzt. Um ein höheres Vakuumniveau zu erzielen – insbesondere zum Entfernen von Lösemitteln mit niedrigem Dampfdruck – müssen häufig verschiedene Vakuumtechnologien kombiniert werden, da einzelne Vakuumpumpen nahe ihrem Enddruck meist an Saugleistung verlieren. 

Ölgeschmierte Drehschieber-Vakuumpumpen: die kostengünstige Lösung

Drehschieber-Vakuumpumpen erreichen in der Regel einen Enddruck von 0,1 bis 1 hPa (mbar), bieten also ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis für moderate Trocknungsanforderungen. Sie sind in einstufiger oder mehrstufiger Ausführung erhältlich. Mehrstufige Ausführungen können einen niedrigeren Enddruck erreichen, haben aber aufgrund der geringeren Ölmenge pro Kammer größere Probleme mit Kondensation. 

Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen: dampfverträglich und chemisch beständig

Begrenzt durch den Dampfdruck des Betriebsmittels (typischerweise Wasser) erreichen Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen je nach Betriebstemperatur und Flüssigkeitsmanagement einen Endruck von etwa 30 hPa (mbar). Dadurch eignen sie sich für die Vortrocknung oder die Entfernung von angesammeltem Dampf. 

Trockene Schrauben- und Klauen-Vakuumpumpen: sauber und leistungsstark

Von allen betrachteten Vakuumtechnologien (außer zweistufigen Drehschieber-Vakuumpumpen) erreichen trockene Schrauben-Vakuumpumpen das höchste Vakuumniveau – weniger als 0,01 hPa (mbar). Aufgrund ihres verhältnismäßig hohen Enddrucks (10-60 hPa (mbar)) und der begrenzten Toleranz gegenüber kondensierbaren Dämpfen scheiden einstufige Klauen-Vakuumpumpen für Trocknungsanwendungen aus, bei denen ein hohes Vakuumniveau und das Handling von Lösemittel entscheidend sind. In zweistufiger Ausführung kann die Klauen-Vakuumpumpe jedoch einen Druck von weniger als 10 hPa (mbar) erreichen und damit in Betracht gezogen werden. Vakuum-Booster: für eine höhere Vakuumleistung

Um die Druckbeschränkungen der genannten primären Vakuumpumpen zu überwinden und einen festgelegten Druck aufrechtzuerhalten, können der Haupt-Vakuumstufe Vakuum-Booster vorgeschaltet werden. Vakuum-Booster sind trockene Verdrängungspumpen. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, das Saugvermögen bei Arbeitsdruck zu erhöhen. Sie steigern das verfügbare Saugvermögen in niedrigeren Druckbereichen, in denen die Effizienz der Vorpumpen bereits abnimmt. Bei korrekter Konfiguration kann eine Kombination aus Booster und Vorpumpe das Saugvermögen erheblich erhöhen – und das System kann deutlich (oftmals um das Zehnfache) niedrigere Drücke erreichen als die Vorpumpe allein. Die erzielbare Leistung hängt jedoch stark vom spezifischen Verhältnis zwischen Booster und Vorpumpe ab, das sorgfältig auf Prozessparameter wie Gaszusammensetzung, erwarteter Durchsatz, Betriebstemperaturen und Drucksollwerte abgestimmt werden muss. Der Booster ist so konstruiert, dass Getriebe und Lager von der Vakuumkammer getrennt sind, was einen ölfreien, berührungslosen Betrieb ermöglicht. Einstufige Vakuum-Booster können nicht direkt gegen Atmosphärendruck eingesetzt werden, da ein zu hoher Differenzdruck zu Überhitzung und zu einer Ausdehnung des Wälzkolbens führen kann. Um dies zu verhindern, benötigen Booster-Systeme während der Inbetriebnahme eine Bypass-Steuerung, die einer Überlastung vorbeugt und das System schützt. Genau wie in anderen Phasen des Batterierecyclings ist die Notwendigkeit der Einhaltung von ATEX-Richtlinien nicht automatisch gegeben, sondern hängt von einer vom Betreiber durchgeführten Risikoanalyse ab. Wenn ATEX erforderlich ist, muss das System als Ganzes betrachtet werden. 

Verbesserte Reinheit durch Vakuumdestillation

Im Anschluss an den Trocknungsprozess muss der verdampfte Elektrolyt zur Wiederverwendung kondensiert und gereinigt werden. Vakuumdestillation macht dies möglich, indem die Bestandteile des Elektrolyten anhand ihrer unterschiedlichen Siedepunkte getrennt werden – ohne dass extreme Temperaturen erforderlich sind, die empfindliche Substanzen zersetzen könnten. Für diesen Prozessschritt sind ein stabiles, hohes Vakuumniveau und eine hohe chemische Beständigkeit erforderlich, insbesondere bei komplexen Elektrolytgemischen. Sowohl trockene als auch Vakuumtechnologien mit Betriebsmittel sind für eine effiziente und präzise Abscheidung von wesentlicher Bedeutung – abhängig vom spezifischen Systemdesign, dem erforderlichen Vakuumniveau und der Toleranz gegenüber chemischen Belastungen oder Wärmespannungen.

Ölgeschmierte Drehschieber-Vakuumpumpen

Drehschieber-Vakuumpumpen können eine praktikable Option für die Vakuumdestillation sein, denn sie zeichnen sich durch stabile Leistung und wettbewerbsfähige Anschaffungskosten aus. Ihre Eignung ist jedoch durch die Empfindlichkeit des Betriebsmittels (Öl) gegenüber Verunreinigungen durch Prozessmedien eingeschränkt. Die chemische Verträglichkeit muss sorgfältig geprüft werden, da die Exposition gegenüber aggressiven oder kondensierbaren Dämpfen das Öl zersetzen, den Wartungsbedarf erhöhen und die Vakuumleistung beeinträchtigen kann. Daher ist ihre Anwendbarkeit auf Medien beschränkt, die nicht nachteilig mit dem Schmiersystem interagieren.

Trockene Schrauben- und Klauen-Vakuumpumpen: für eine saubere und kontrollierte Abscheidung

Trockene Schrauben-Vakuumpumpen sind die effektivste trockene Technologie für die Vakuumdestillation. Sie erreichen auf stabile Weise das erforderliche Vakuumniveau, um den Siedepunkt zu senken und eine präzise Abscheidung ohne thermische Zersetzung zu ermöglichen. Da sie ohne Öl betrieben werden, besteht kein Kontaminationsrisiko; damit sind sie perfekt geeignet für die hochreine Rückgewinnung wertvoller Elektrolyt-Bestandteile.

Trockene Klauen-Vakuumpumpen sind zwar ebenfalls ölfrei und wartungsarm, erreichen aber nicht das gleiche Vakuumniveau wie Schrauben-Vakuumpumpen. Daher eignen sie sich besser für die Vorvakuumerzeugung oder für Systeme, bei denen ein Enddruck von rund 20 hPa (mbar) ausreicht. Dank ihrer Einfachheit und Energieeffizienz sind sie eine praktikable Option für Anwendungen, in denen es nicht auf ein hohes Vakuumniveau ankommt. Schließlich sorgen sie dennoch für einen kontaminationsfreien Betrieb, der eine hohe Prozessreinheit unterstützt. 

Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen: Wärmepufferung und Dampfverträglichkeit

Die allgemeinen Vorteile und Grenzen von Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen wurden bereits im Zusammenhang mit dem Schredder- und dem Trocknungsprozess erörtert. Ihre Stärken sind auch für die Destillation relevant – insbesondere in Kondensationsstufen mit hohem Lösemittelgehalt oder chemisch aggressiven Medien. Ihre Fähigkeit, Flüssigkeitsverschleppung zu tolerieren und flüchtige Gemische zu stabilisieren, macht sie zu einer sinnvollen Wahl für Systeme mit schwankenden Prozesslasten. Bei Anwendungen, die ein höheres Vakuum oder eine höhere Energieeffizienz erfordern, sollten ihre Einsatzmöglichkeiten jedoch sorgfältig geprüft werden. Die Leistungsvorteile von Vakuum-Boostern – insbesondere hinsichtlich eines höheren Vakuumniveaus und einer schnelleren Evakuierung – wurden bereits dargestellt. Diese Vorteile gelten auch für die Destillation, für die Systemdurchsatz und Druckstabilität entscheidend sind. 

Fortschrittliche Prozessüberwachung im Batterierecycling 

Die Prozessüberwachung ist ein entscheidender Aspekt bei der Optimierung von Methoden des Batterierecyclings zur Gewährleistung von Effizienz und Nachhaltigkeit – insbesondere bei komplexen chemischen Reaktionen in thermischen Behandlungsprozessen wie der Pyrolyse. Zu den wichtigsten Instrumenten der Prozessüberwachung gehört die Restgasanalyse (RGA). Die RGA ist eine Methode, mit der bestimmt werden kann, welche Gase in welcher Menge in einem System vorhanden sind. Sie basiert auf der Massenspektrometrie, bei der Moleküle ionisiert und die entstehenden Ionen mithilfe eines Quadrupol-Massenfilters nach ihrem Masse-Ladungs-Verhältnis (m/z) sortiert werden. Im Batterierecycling wird sie verwendet, um die während des Recyclingprozesses freigesetzten Gasphasen zu analysieren. Diese Technologie ermöglicht die Überwachung und Steuerung in Echtzeit, indem die freigesetzten Gase identifiziert und quantifiziert werden, die Indikatoren für die im System auftretenden chemischen Reaktionen sind. Durch diese Analyse ist es möglich, ein tiefgreifendes Verständnis der Prozessdynamik zu erlangen, was zur Optimierung der Recyclingmethode und -Ausrüstung beiträgt. Die Massenspektrometrie unterstützt die Detektion gefährlicher oder korrosiver Substanzen und gewährleistet so die Einhaltung von Umweltvorschriften sowie die Mitarbeitersicherheit. Darüber hinaus erleichtert sie die Anpassung von Prozessparametern zur Steigerung von Effizienz und Durchsatz, was zu besser abgestimmten und kontrollierten Recyclingabläufen führt – für maximale Materialrückgewinnung und minimale schädliche Emissionen. 

Gewährleistung der Systemintegrität durch Lecksuche 

Es ist wichtig, eine hohe Prozessintegrität sicherzustellen, um gefährliche Bedingungen zu vermeiden und optimale Rückgewinnungsraten zu gewährleisten. Eine entscheidende Rolle fällt dabei einer strengen Leckageprüfung zu, mit der die Dichtheit von Recyclingkammern und -equipement überprüft wird. Der Prozess beginnt mit einer Druckabfallprüfung, die als erster Indikator für mögliche Lecks dient. Hierfür wird ein System unter Druck gesetzt und anschließend der Druckabfall im Laufe der Zeit gemessen. Fällt der Druck unter einen vordefinierten Schwellenwert, deutet dies auf ein mögliches Leck hin. Für Druckabfallprüfungen bieten Vakuummessgeräte genaue und zuverlässige Messungen zur Feststellung von Druckabfällen, die auf ein Leck hinweisen könnten.

Nach einer Druckabfallprüfung wird zur genauen Quantifizierung des Lecks eine Lecksuche mit Prüfgas durchgeführt. Die Lecksuche mit Prüfgas ist hochempfindlich und geeignet für die Erkennung selbst kleinster Lecks. Ein Prüfgas wie Helium oder Wasserstoff wird in das System eingeleitet, und ein Lecksucher mit integrierter Massenspektrometer-Analysezelle identifiziert und quantifiziert austretendes Gas. Die Verwendung von Helium ist aufgrund seiner geringen Molekülgröße und seiner Inertheit besonders effektiv, da es schnell und ohne Reaktion mit den beteiligten Materialien durch Lecks gelangen kann.  

Fazit

Zusammen bieten diese Methoden einen ganzheitlichen Ansatz zur Aufrechterhaltung einer hohen Prozessintegrität in Batterierecyclinganlagen. Durch die Integration von Vakuumtechnologie in Prozesse des Recyclings von Batterien lassen sich gleich mehrere Herausforderungen bezüglich Sicherheit, Effizienz und Umweltauswirkungen angehen. Vakuumtechnologie verbessert die Prozesssicherheit dank inerter Atmosphären, ermöglicht eine effiziente Materialabscheidung durch ein kontrolliertes Vakuumniveau und gewährleistet die Systemintegrität mit fortschrittlicher Lecksuche. Damit ist sie wegbereitend für nachhaltige Praktiken im Batterierecycling. Mit der Weiterentwicklung der Branche wird auch die Rolle der Vakuumtechnologie weiter an Relevanz gewinnen, und ihre Bedeutung für ein nachhaltiges Lebenszyklusmanagement von Batterietechnologien wird sich weiter festigen.

Quelle: Busch Group