DE102009049423A1 - Verfahren und Reaktor zur Aufbereitung von Li-haltigem Schüttgut - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wiedergewinnung von Lithium aus einem Lithium enthaltendem Ausgangsstoff. Erfindungsgemäß wird der Ausgangsstoff in einem Reaktor mit Kohlenstoff dadurch geheizt, dass der Kohlenstoff direkt induktiv geheizt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung eines Lithium enthaltenden Ausgangsstoffs und einen Reaktor zur Durchführung des Verfahrens.
  • Mit einem stark steigenden Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien steigt der Bedarf an Lithium ständig an. Gleichzeitig besteht die Notwendigkeit, ein effektives Verfahren zum Rezyklieren von Li-Ionen-Batterien bereitzustellen. Diese Notwendigkeit ist wegen der Gesundheitsschädlichkeit von Lithium und seinen Verbindungen noch verstärkt.
  • Bisherige Versuche, Li-haltige Batterieabfälle aufzubereiten und das darin enthaltene Lithium wiederzugewinnen, haben sich auf chemische Aufbereitungsverfahren konzentriert. Solche Verfahren wurden beispielsweise in der US 6 835 228 oder der US 6 514 311 beschrieben. Dazu ist jedoch eine Vielzahl von Reaktionsschritten verbunden mit der entsprechenden Menge an Chemikalien notwendig.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein technisch einfaches Verfahren anzugeben, mit dem Lithium aus einem Lithium enthaltenden Ausgangsstoff, insbesondere aus Schüttgut, insbesondere aus Lithiumionen-Batterien, wiedergewonnen werden kann, wobei insbesondere wenige chemische Reaktionsschritte nötig sind.
  • Gelöst wird die Aufgabe mit sämtlichen Merkmalen des Verfahrens nach Anspruch 1. Weiterbildende Ausbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 13 angegeben.
  • Erfindungswesentlich ist, dass ein Lithium enthaltender Ausgangsstoff in einem Reaktor mit Kohlenstoff dadurch geheizt wird, dass der Kohlenstoff direkt induktiv geheizt wird.
  • Durch induktives Heizen können mit großer Effizienz hohe Temperaturen erzeugt werden, die eine Wiedergewinnung von Lithium erleichtern. Dadurch wird eine chemische Extraktion unnötig.
  • Der Ausgangsstoff enthält vorteilhafterweise Schüttgut. Schüttgut ist leicht in einen Reaktor einzubringen und nach einer Reinigung von Lithium leicht aus dem Reaktor zu entnehmen. Beispielsweise können Batterieabfälle als Schüttgut vorliegen. Vorteilhafterweise ist der Li-haltige Ausgangsstoff durch Schüttgut gebildet.
  • Das Lithium im Ausgangsstoff und/oder Schüttgut kann in metallischer Form und/oder in ionischer Form, beispielsweise als organische und/oder anorganische Verbindung, vorliegen. Beim Vorliegen des Lithiums in Form von Ionen kann der Kohlenstoff im Schüttgut als Reduktionsmittel dienen, so dass im erfindungsgemäßen Verfahren metallisches Lithium entsteht.
  • Ein direktes induktives Heizen ist dadurch möglich, dass Kohlenstoff eine derartige elektrische Leitfähigkeit aufweist, dass Frequenzen einer Induktionsheizung in den Kohlenstoff einkoppeln und diesen direkt beheizen können, ohne dass ein Einkoppeln in ein zusätzliches Medium nötig wäre. Darüber hinaus muss eine Reaktorwandung nicht beheizt werden, was nur einen geringen Wärmeverlust über die Reaktorwandung und somit eine sehr hohe Energieeffizienz des Verfahrens zur Folge hat.
  • Unter Wiedergewinnung von Lithium wird im Rahmen der Erfindung ein Entfernen von Lithium aus dem Schüttgut verstanden, wobei das Lithium nach Durchführung des Verfahrens getrennt vom Schüttgut vorliegt. Dabei muss das Lithium nach der Wiedergewinnung nicht in metallischer Form vorliegen. Es genügt, das Lithium in hochkonzentrierter Form, beispielsweise in einer chemischen Verbindung, wie etwa einem Hydroxid oder Salz, vorliegen zu haben.
  • Vorteilhafterweise wird Li-haltiges Schüttgut durch das Verfahren aufbereitet. Unter Aufbereitung wird im Rahmen der Erfindung eine Behandlung von kohlenstoffhaltigem Schüttgut verstanden, mit der Lithium aus dem Schüttgut entfernt wird, wobei diese Behandlung soweit durchgeführt wird, dass dieses Schüttgut ohne Gefährdung von Umwelt oder Menschen auf Deponien gelagert, als Rohstoff wieder verwendet und/oder als Brennstoff eingesetzt werden können.
  • Vorzugsweise enthält der Ausgangsstoff Abfälle von Lithiumionen-haltigen Batterien. Derartige Abfälle fallen beispielsweise bei der Entsorgung verbrauchter sogenannter Litium-Ionen-Akkumulatoren, kurz Li-Ionen-Akkus, an.
  • Der direkt induktiv beheizbare Kohlenstoff kann verschiedener Provenienz sein. Vorzugsweise werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Li-Ionen-Akkus aufbereitet, bei denen Lithium-Ionen als Interkalationsverbindungen in Kohlenstoff, insbesondere Graphit, eingelagert sind. In diesem Fall kann der Kohlenstoff der Li-Ionen-Akkus selbst direkt induktiv geheizt werden.
  • Dem Schüttgut, das im erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird, kann bereits Kohlenstoff zugesetzt sein und/oder während des Verfahrens zugegeben werden. Der Kohlenstoff des Schüttguts kann beispielsweise als amorpher Kohlenstoff, natürlicher Graphit, synthetischer Graphit oder in jeder anderen beliebigen Form vorliegen. Es muss lediglich bei zumindest einem Teil des Kohlenstoffs eine induktive Einkopplung erfolgen können.
  • In einem vorteilhaften Fall ist der Ausgangsstoff als Schüttgut so ausgebildet, dass ohne Zugabe von zusätzlichem Kohlenstoff, der direkt induktiv geheizt werden kann, das Schüttgut direkt induktiv geheizt werden kann. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn Li-Ionen-Akkus mit einer Graphitanode eingesetzt werden. Derartige Li-Ionen-Akkus werden gebrochen oder zumindest mechanisch geöffnet und als Schüttgut eingesetzt. Eventuell findet vor dem Einsatz als Schüttgut eine Trennung störender Bestandteile, wie etwa von Blechummantelungen, statt. Liegen relativ kleine Akkus mit Größen von nur wenigen Zentimeter vor, können allerdings relativ hohe Induktionsfrequenzen zum Heizen des Schüttguts nötig sein. Des Weiteren kann es nötig sein, wegen geringer Eindringtiefen bei kleinen Korngrößen und hohen Frequenzen Reaktoren einzusetzen, die nur eine recht geringe Größe von beispielsweise unter 20 cm Durchmesser aufweisen.
  • Vorteilhafterweise wird dem Ausgangsstoff Kohlenstoff zugesetzt, der ein Einkoppeln von Induktionsfeldern in das Schüttgut erleichtert. Dies ermöglicht beispielsweise, einen Li-haltigen Ausgangsstoff, wie etwa Li-verunreinigtes Schüttgutm einzusetzen, das einen geringen Kohlenstoffgehalt aufweist, wie Lithium-Batterien, die metallisches Lithium enthalten. Es ist sogar möglich, einen Li-verunreinigten Ausgangsstoff einzusetzen, der ursprünglich vollständig frei von Kohlenstoff ist. In dieser Variante muss dem Ausgangsstoff genügend Kohlenstoff zugesetzt werden/sein, dass ein induktives Heizen möglich ist.
  • Vorteilhafterweise wird Schüttgut eingesetzt, das zu über 50 Gew.-% eine Korngröße von über 30 mm besitzt, insbesondere zu über 50 Gew.-% eine Korngröße zwischen 50 und 150 mm. Bei derartigen Korngrößen hat sich im Rahmen der Erfindung gezeigt, dass induktive Felder sehr gut in das Schüttgut einkoppeln. Derart hohe Korngrößen haben darüber hinaus den Vorteil, dass nicht aufwändige und damit energie- und kostenintensive Mahlschritte nötigt sind, sondern relativ grob gebrochenes Schüttgut eingesetzt werden kann. Die genannten Korngrößen kann sowohl kohlenstoffhaltiges Schüttgut mit dem wiederzugewinnenden Lithium selbst aufweisen als auch Kohlenstoff, der dem Schüttgut zugegeben ist bzw. wird.
  • Dabei kann jedoch ein Feinanteil von kleiner als 50 mm, insbesondere kleiner als 30, insbesondere kleiner als 10 mm im Schüttgut verbleiben. Selbst als Staub vorliegender Feinanteil kann im Schüttgut verbleiben. Der Feinanteil wird durch den Grobanteil indirekt mit geheizt. Dies macht ein Trennen von Fein- und Grobanteil des Schüttguts vor der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens unnötig.
  • Vorteilhafterweise werden Induktionsfelder mit Frequenzen zwischen 1 und 50 kHz, insbesondere zwischen 1 und 10 kHz, insbesondere zwischen 2 und 5 kHz erzeugt. Bei diesen tiefen Frequenzen koppeln die Induktionsfelder besonders gut in grobe Körner ein und weisen eine hohe Eindringtiefe in das Schüttgut ein, so dass große Reaktordurchmesser eingesetzt werden können.
  • Im Reaktor können maximale Temperaturen bis 3000°C erzeugt werden. Dies ist durch die direkte Einkopplung der Induktionsfelder in den Kohlenstoff im Reaktor möglich. Bevorzugt sind im Reaktor maximale Temperaturen über 1100°C eingestellt, insbesondere zwischen 1200 und 1800°C, insbesondere zwischen 1250 und 1500°C eingestellt. Mit einem Siedepunkt von 1342°C hat Lithium bereits bei Temperaturen über 1100°C, insbesondere über 1200°C, insbesondere über 1250°C bereits einen Dampfdruck, der groß genug ist, dass Lithium in die Gasphase übergeht und somit aus dem Ausgangsstoff entfernt wird.
  • Von Lithium gereinigtes Schüttgut kann vorteilhafterweise in eine untere Zone des Reaktors rutschen, von wo es entnommen werden kann. Dadurch kann das Verfahren kontinuierlich durchgeführt werden. Eine Entnahme kann mittels eines Schiebers und/oder eines Brechers durchgeführt werden. Nach der Entnahme rutscht Schüttgut im Reaktor vorteilhafterweise in die untere Zone nach. Die untere Zone kann so ausgebildet sein, dass keine Induktionsspulen vorliegen. Dadurch kann das Schüttgut in diesem Bereich abkühlen und ist nach der Entnahme besser handhabbar. Zusätzlich kann eine aktive Kühlung vorgesehen sein.
  • Aufzubereitende Li-haltige Batterien im Schüttgut können weitere Metalle enthalten, die beispielsweise als Elektrodenteile in metallischer Form vorliegen. Diese können nach einer Entnahme des von Lithium gereinigten Schüttguts aus dem Reaktor beispielsweise mittels Dichtetrennungsverfahren, wie etwa Flotationsverfahren, oder Sieben vom Schüttgut und voneinander getrennt werden.
  • Vorzugsweise wird zumindest ein Teil des Lithiums in eine Gasphase überführt. Dies ermöglicht ein Entfernen des Lithiums aus dem Ausgangsstoff und einen Transport sowie ein Sammeln des Lithiums.
  • Vorteilhafterweise wird das in eine gasförmige Phase überführte Lithium mit einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, niedergeschlagen. Dies ermöglicht ein Binden und somit ein Sammeln des Lithiums.
  • Wasser kann flüssig oder als Wasserdampf in zumindest einer Zone des Reaktors, wie einem Gasraum in einer oberen Zone, eingebracht werden. Dies kann etwa durch Zerstäuben oder Vernebeln geschehen. Das Einbringen von Wasser kann vorteilhafterweise mehrere Funktionen erfüllen. Wasser kann etwa Lithium binden und zur Kühlung beitragen.
  • Vorteilhafterweise wird Lithium insbesondere mit Wasser zu Lithiumhydroxid (LiOH) umgesetzt. LiOH ist nicht toxisch, chemisch stabil und gut zu lagern.
  • Das gereinigte Schüttgut kann nach der Entnahme vorteilhafterweise weiterverwendet werden. Es kann als Brennstoff und als Rohstoff, wie etwa zum Aufkohlen in der Stahlindustrie, eingesetzt werden.
  • In eine gasförmige Phase überführtes Lithium wird vorteilhafterweise mit einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, niedergeschlagen. Ein Niederschlagen von gasförmigen Verbindungen erfolgt vorteilhafterweise räumlich getrennt von dem Reaktorraum, beispielsweise in einem Gaswäscher, wie etwa einem Berieselungsturm, der mit dem Reaktorraum verbunden ist.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird des Weiteren mit den Merkmalen des Reaktors nach Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen 15 bis 25 angegeben.
  • Der Reaktor weist Induktionsspulen auf, die geeignet sind, Kohlenstoff und/oder kohlenstoffhaltiges Schüttgut direkt induktiv aufzuheizen.
  • Vorteilhafterweise sind die Induktionsspulen geeignet, in radialer und/oder axialer Richtung des Reaktors einen vorbestimmten Temperaturgradienten einzustellen. Ein Temperaturgradient kann gezielt eingesetzt werden, das erfindungsgemäße Verfahren zu steuern.
  • Vorteilhafterweise sind die Induktionsspulen geeignet, den Ausgangsstoff und/oder das Schüttgut ohne Temperaturgradienten bzw. mit einem geringen Temperaturgradienten zu heizen. Insbesondere ist ein radialer Temperaturgradient möglich, der kleiner als 100 K/m, insbesondere kleiner als 50 K/m, insbesondere kleiner als 30 K/m ist.
  • Vorteilhafterweise weist der Reaktor eine hochtemperaturbeständige Innenwandung auf, in die die bei den zum Heizen des Kohlenstoffs und/oder kohlenstoffhaltigen Schüttguts eingesetzten Frequenzen von den Induktionsspulen erzeugten Induktionsfelder nicht oder zumindest kaum einkoppeln. Dies verringert die Temperaturbelastung der Innenwandung und verlängert deren Lebenserwartung gegenüber konventionellen Heizungen deutlich.
  • Die Innenwandung kann eine Auskleidung aufweisen, die zumindest ein Material aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstoff, oxidischen Feuerfestmaterialien, nicht-oxidischen Feuerfestmaterialien und Schamotte enthält.
  • Vorteilhafterweise weist die Auskleidung tongebundenen Graphit auf. Trotz eines hohen Kohlenstoffgehalts weist tongebundener Graphit eine so niedrige elektrische Leitfähigkeit auf, dass er nicht induktiv geheizt werden kann.
  • Vorteilhafterweise weist der Reaktor einen Reaktorraum auf, der in axialer Richtung eine obere Zone, eine mittlere Zone und eine untere Zone aufweist, wobei der Reaktor insbesondere derart ausgebildet sein kann, dass in die obere Zone von Lithium zu reinigender Ausgangsstoff und/oder aufzubereitendes Schüttgut eingebracht werden kann, die mittlere Zone mit den zumindest teilweise um den Reaktor verlaufenden Induktionsspulen versehen ist und sich in der unteren Zone gereinigtes Schüttgut ansammelt und aus ihr entnommen werden kann. Somit kann mit dem Reaktor ein kontinuierliches Verfahren durchgeführt werden.
  • Vorteilhafterweise besitzt der Reaktor im Bereich der Induktionsspulen einen Durchmesser von über 50 cm, um einen möglichst hohen Durchsatz zu erreichen. Vorteilhafterweise ist der Durchmesser größer als 75 cm, insbesondere zwischen 1 m und 1,5 m. Ein derart großer Reaktor in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen direkten induktiven Heizen ermöglicht hohe Durchsatzmengen. Durch das Verfahren des induktiven Heizens in Verbindung mit niedrigen Frequenzen und grober Korngröße des Kohlenstoffs bzw. kohlenstoffhaltigen Schüttguts erhitzt sich der Ausgangsstoff bzw. das Schüttgut deutlich schneller als durch konventionelles Heizen, was ein energie- und kosteneffizientes Aufbereiten ermöglicht.
  • Der Reaktor kann in der unteren Zone und/oder in einem unteren Bereich der mittleren Zone sich nach unten konisch erweiternd ausgebildet sein. Dies erleichtert ein Rutschen von Schüttgut nach unten.
  • Vorteilhafterweise weist der Reaktor eine Eintragschleuse, wie etwa eine Zellenradschleuse, auf, über die der Reaktor mit Ausgangsstoff und/oder Schüttgut versorgt werden kann, wobei die Eintragschleuse geeignet ist, ein unkontrolliertes Entweichen von Gasen, insbesondere von gasförmigem Lithium, aus dem Reaktor zu verhindern.
  • Des Weiteren kann ein mit dem Reaktorraum verbundener Gaswäscher, wie beispielsweise ein Berieselungsturm, vorgesehen sein, der geeignet ist, in eine gasförmige Phase überführtes Lithium mit einer Flüssigkeit, wie etwa Wasser, auszuwaschen. In dem Gaswäscher kann insbesondere gasförmiges Lithium aus der Gasphase flüssig gebunden werden und aufgrund einer niedrigen Temperatur im Gaswäscher kondensieren. Im Gaswäscher können noch weitere, insbesondere chemische, Vorgänge ablaufen. So kann Lithium zu Lithiumhydroxid reagieren und anschließend abfiltriert werden.
  • Vorteilhafterweise kann im Reaktor zumindest eine Eindüsvorrichtung vorgesehen sein, die geeignet ist, in wenigstens einer der oberen, mittleren und unteren Zone Wasser und/oder Wasserdampf in den Reaktorraum einzubringen.
  • Vorteilhafterweise ist zumindest eine Induktionsspule gekühlt. Da die Induktionsfelder nicht in die Reaktorwandung einkoppeln, wird diese nicht direkt beheizt und muss daher nicht aktiv gekühlt werden. Die Reaktorwandung wird jedoch vorteilhafterweise durch Konvektion gekühlt.
  • Weitere vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung werden im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und einer dazugehörigen Figur erläutert.
  • Dabei zeigt 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Reaktors.
  • Ein erfindungsgemäßer Reaktor 1 besitzt gemäß dem Ausführungsbeispiel einen Reaktorraum 2 mit einem Durchmesser von 1,5 m, um den zumindest teilweise den Reaktorraum 2 umgebend Induktionsspulen 3 angeordnet sind, die geeignet sind, mit Frequenzen zwischen 1 und 50 kHz ein im Reaktorraum 2 vorliegendes kohlenstoffhaltiges Schüttgut 4 auf Temperaturen bis zu 1800°C aufzuheizen. Der Reaktorraum 2 ist mit einer hochtemperaturbeständigen Auskleidung 5 einer Reaktorwandung 6 umgeben. In diesem Ausführungsbeispiel besteht die Auskleidung 5 aus Schamottesteinen. Es sind jedoch alle anderen hochtemperaturbeständigen Materialien geeignet, in die nicht ein von den Induktionsspulen 3 erzeugtes Feld einkoppelt, wie etwa tongebundener Kohlenstoff. Der Reaktor 1 besitzt eine obere Zone 7, eine mittlere Zone 8 und eine untere Zone 9.
  • An der oberen Zone 7 ist eine Einfüllöffnung 10 vorgesehen, über die Schüttgut 4 als Li-haltiger Ausgangsstoff, Kohlenstoff und gegebenenfalls Zusatzstoffe in den Reaktorraum 2 aufgegeben werden können. Um ein Entweichen von Lithium aus dem Reaktorraum 2 zu verhindern, ist auf die Einfüllöffnung 10 eine Zellenradschleuse als Eintragschleuse 11 gesetzt.
  • Die Induktionsspulen 3 sind in der mittleren Zone 8 vorgesehen. In der unteren Zone 9 ist ein Schieber 23 vorgesehen, der als Brecher zum Brechen von Schüttgut 4 und/oder dessen Entnahme wirkt.
  • Die obere Zone 7 ist mit einem Verbindungsstück 13 versehen, das den Reaktorraum 2 mit einem Berieselungsturm 14 verbindet, der als Gaswäscher 14 wirkt. Im Berieselungsturm 14 ist zumindest eine Wasserdüse 15 zum Eindüsen von Wasser in den Berieselungsturm 14 vorgesehen. Über ein Ventil 16 kann aufgefangenes Wasser 17 ausgelassen werden.
  • Zum Betrieb des Reaktors 1 wird über die Zellenradschleuse 11 Schüttgut 4 zusammen mit stückigem Kohlenstoff in den Reaktorraum 2 gefüllt. Das Schüttgut 4 und zusätzlicher Kohlenstoff können auch als Einzelkomponenten zugegeben werden. Das Schüttgut 4 enthält in diesem Beispiel verbrauchte Li-Ionen-Akkus, bei denen Lithium als Interkalationsverbindung in Graphit vorliegt.
  • Die Induktionsspulen 3 heizen das Li-haltige Schüttgut 4 direkt induktiv auf, indem die Induktionsfelder direkt in den Kohlenstoff der Li-Ionen-Akkus, sowie in den zugegebenen Kohlenstoff einkoppeln. Über den Kohlenstoff des aufgeheizten Schüttguts 4 werden auch die eingelagerten Lithiumverbindungen aufgeheizt. Durch das Aufheizen werden aus dem Schüttgut stammende organische Lösungsmittel verdunstet und verhindern wegen der damit einhergehenden Volumenvergrößung eine Zufuhr von Luft, also von Sauerstoff und Stickstoff. Dadurch wird eine Oxidation von metallischem Lithium, aber auch beispielsweise eine Stickoxidbildung verhindert. Die Lösungsmittel zersetzen sich und erzeugen eine reduzierende Atmosphäre, die zusätzlich zum Kohlenstoff des Schüttguts zu einer Reduktion der Lithiumverbindungen zu metallischem Lithium beitragen. In der mittleren Zone 8 entsteht flüssiges Lithium, das bereits bei Temperaturen ab 1100°C, insbesondere 1200°C, insbesondere 1250°C aufgrund seines hohen Dampfdrucks von der flüssigen Phase in die Gasphase übergeht.
  • Durch die Volumenausdehnung und Konvektion gelangt gasförmiges Lithium über das Verbindungsstück 13 in den Berieselungsturm 14. Durch aus der Wasserdüse 15 herabrieselndes Wasser wird das Lithium abgekühlt, verflüssigt und zu LiOH umgesetzt. Dadurch findet eine Volumenverkleinerung statt, die einen Gasstrom vom Reaktor 2 in den Berieselungsturm 14, der in 1 mit einem Pfeil 18 dargestellt ist, noch unterstützt.
  • In den Reaktorraum 2 kann über eine Düse 20 Wasserdampf 21 in die obere Zone 7 eingedüst werden, um eine Reaktion von Lithium schon in den Reaktorraum vorzuverlagern.
  • In der unteren Zone 9, also außerhalb eines Wirkbereichs der Induktionsspulen 3, kühlt das von Lithium gereinigte Schüttgut ab. Über den Schieber 23 wird das Schüttgut der unteren Zone 9 entnommen. Das gereinigte kohlenstoffhaltige Schüttgut kann als Brennstoff oder als Rohstoff, wie etwa zum Aufkohlen in der Stahlindustrie, eingesetzt werden.
  • Ausgewaschenes, insbesondere als Hydroxid vorliegendes Lithium kann zusammen mit Wasser 17 des Berieselungsturms 14 über das Ventil 16 entnommen werden. Das Lithium kann gegebenenfalls nach entsprechender Aufbereitung einer beliebigen herkömmlichen Verwendung, beispielsweise für Li-Ionen-Batterien, zugeführt werden.
  • In einem weiteren Beispiel wird das erfindungsgemäße Verfahren mit Li-haltigem Schüttgut aus Li-Ionen-Akkus durchgeführt, das zu über 50% Korngrößen zwischen 30 und 100 mm aufweist. Da die erzeugten Induktionsfelder bereits in den Batterieabfall sehr gut einkoppeln, ist in diesem Beispiel keine zusätzliche Zugabe von stückigem Kohlenstoff nötig.
  • In noch einem weiteren Beispiel stammt der Li-haltige Batterieabfall ausschließlich von Batterien, die kohlenstofffrei arbeiten. In diesem Fall koppeln die Induktionsfelder ausschließlich in zusätzlich zugegebenen stückigen Kohlenstoff mit Korngrößen zwischen 30 und 150 mm ein, und der Li-haltige Batterieabfall wird indirekt induktiv geheizt.
  • Somit ließ sich die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens und Reaktors eindeutig nachweisen.
  • Alle in der Beschreibung, den Beispielen und den Ansprüchen genannten Merkmale können in beliebiger Kombination zu der Erfindung beitragen. Insbesondere kann das Lithium im Schüttgut beliebiger Provenienz sein und kann der Kohlenstoff, in den Induktionsfelder einkoppeln können, bereits im Batterieabfall selbst enthalten sein und/oder dem Schüttgut zusätzlich zugegeben werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 6835228 [0003]
    • US 6514311 [0003]

Claims (26)

  1. Verfahren zur Wiedergewinnung von Lithium aus einem Lithium enthaltendem Ausgangsstoff, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsstoff in einem Reaktor mit Kohlenstoff dadurch geheizt wird, dass der Kohlenstoff direkt induktiv geheizt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsstoff Schüttgut enthält, insbesondere durch Schüttgut gebildet ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsstoff Kohlenstoff, insbesondere amorphen Kohlenstoff und/oder Graphit, enthält, der geeignet ist, direkt induktiv geheizt zu werden.
  4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ausgangsstoff Kohlenstoff, insbesondere amorpher Kohlenstoff und/oder Graphit, zugegeben ist und/oder zugegeben wird, der geeignet ist, direkt induktiv geheizt zu werden.
  5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dass der Ausgangsstoff und/oder das Schüttgut Abfälle von Lithiumionen-haltigen Batterien enthält.
  6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schüttgut eingesetzt wird, das zu über 50 Gew.-% eine Korngröße von über 30 mm besitzt.
  7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schüttgut eingesetzt wird, das zu über 50 Gew.-% eine Korngröße zwischen 50 und 150 mm besitzt.
  8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass induktiv mit Frequenzen zwischen 1 und 50 kHz, insbesondere zwischen 1 und 10 kHz, insbesondere zwischen 2 und 5 kHz geheizt wird.
  9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Reaktor maximale Temperaturen zwischen 1100°C und 3000°C, insbesondere zwischen 1200 und 1800°C, insbesondere zwischen 1250°C und 1500°C, eingestellt sind.
  10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Lithiums in eine Gasphase überführt wird.
  11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in eine gasförmige Phase überführtes Lithium mit einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, niedergeschlagen wird.
  12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einer Zone des Reaktors Wasser und/oder Wasserdampf eingebracht wird, etwa zerstäubt oder vernebelt wird.
  13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Lithium zu LiOH umgesetzt wird.
  14. Reaktor zur Durchführung eines Verfahrenes nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor Induktionsspulen aufweist, die geeignet sind, den Kohlenstoff direkt induktiv aufzuheizen.
  15. Reaktor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspulen geeignet sind, in radialer und/oder axialer Richtung des Reaktors einen vorbestimmten Temperaturgradienten einzustellen.
  16. Reaktor nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspulen geeignet sind, den Ausgangsstoff mit einem radialen Temperaturgradienten zu heizen, der kleiner als 100 K/m, insbesondere kleiner als 50 K/m, insbesondere kleiner als 30 K/m ist.
  17. Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor eine hochtemperaturbeständige Innenwandung aufweist, in die die bei den zum Heizen des Schüttguts eingesetzten Frequenzen von den Induktionsspulen erzeugten Induktionsfelder nicht oder zumindest kaum einkoppeln.
  18. Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwandung eine Auskleidung aufweist, die zumindest ein Material aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstoff, oxidischen Feuerfestmaterialien, nicht-oxidischen Feuerfestmaterialien und Schamotte enthält.
  19. Reaktor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskleidung tongebundenen Graphit aufweist.
  20. Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor einen Reaktorraum aufweist, der in axialer Richtung eine obere Zone, eine mittlere Zone und eine untere Zone aufweist, wobei der Reaktor insbesondere derart ausgebildet ist, dass in die obere Zone Schüttgut eingebracht werden kann, die mittlere Zone mit den zumindest teilweise um den Reaktor verlaufenden Induktionsspulen versehen ist und sich in der unteren Zone gereinigtes Schüttgut ansammelt und aus ihr entnommen werden kann.
  21. Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor im Bereich der Induktionsspulen einen Durchmesser von über 50 cm, insbesondere von über 75 cm, insbesondere zwischen 1 m und 1,5 m besitzt.
  22. Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor in der unteren Zone und/oder in einem unteren Bereich der mittleren Zone sich nach unten konisch erweiternd ausgebildet ist.
  23. Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor eine Eintragschleuse, wie etwa eine Zellenradschleuse, aufweist, über die der Reaktor mit Ausgangsstoff, insbesondere mit Schüttgut, versorgt werden kann, wobei die Eintragschleuse geeignet ist, ein unkontrolliertes Entweichen von Gasen, insbesondere von gasförmigem Lithium, aus dem Reaktor zu verhindern.
  24. Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Reaktorraum verbundener Gaswäscher, wie etwa ein Berieselungsturm, vorgesehen ist, der geeignet ist, in eine gasförmige Phase überführtes Lithium mit einer Flüssigkeit, wie etwa Wasser, niederzuschlagen.
  25. Reaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Eindüsvorrichtung vorgesehen ist, die geeignet ist, in wenigstens einer der oberen, mittleren und unteren Zone Wasser und/oder Wasserdampf in den Reaktorraum einzubringen.
  26. Verwendung eines mit einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, insbesondere mit einem Reaktor gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 25, gereinigten kohlenstoffhaltigen Schüttguts als Brennstoff oder als Rohstoff, wie etwa zum Aufkohlen in der Stahlindustrie.
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