Rückgewinnung von Batteriematerialien aus primären und sekundären Quellen

Europa braucht große Mengen an Lithium, Kobalt, Nickel, Mangan und Graphit für Batterien – ist aber stark von Importen abhängig. Das EU-Projekt M-BAT zeigt, wie sich diese Rohstoffe aus europäischen Quellen gewinnen lassen: aus Erz-Rückständen, metallurgischen Schlämmen, »Black Mass« aus Altbatterien und geothermischen Solen. Gemeinsam mit Industriepartnern entwickelt und demonstriert das Fraunhofer ISE die komplette Prozesskette vom Direct-Lithium-Extraction Verfahren (DLE) bis hin zur Produktausfällung unter realen Geothermiebedingungen und liefert batterietaugliches Lithiumcarbonat für NMC-Zellen.

Ausgangslage

Die Nachfrage nach Batterien für Elektromobilität und stationäre Speicher wächst stark. Damit steigt auch der Bedarf an kritischen Rohstoffen wie Lithium, Kobalt, Nickel, Mangan und Graphit. Der Großteil dieser Materialien wird heute außerhalb Europas gefördert und aufbereitet – häufig in Ländern mit hohem geopolitischem Risiko und teilweise problematischen Umwelt- und Sozialstandards. Gleichzeitig fallen in Europa große Mengen potenziell wertvoller Reststoffe an: Halden aus dem Bergbau, metallurgische Schlämme, Rückstände aus dem Batterierecycling sowie mineralisierte Thermalwässer aus Geothermieanlagen. Diese Ressourcen werden bislang nur begrenzt genutzt. Technisch robuste, wirtschaftliche und nachhaltige Verfahren zur Gewinnung batterietauglicher Materialien aus diesen Strömen fehlen weitgehend.

Ziel

M-BAT verfolgt das Ziel, die strategische Unabhängigkeit Europas in der Batteriewertschöpfungskette zu stärken. Dazu werden vier innovative Prozesse zur Gewinnung batterietauglicher Materialien aus europäischen Primär- und Sekundärquellen entwickelt und in einer industriell relevanten Umgebung demonstriert (TRL 6/7). Verarbeitet werden Erz-Tailings, metallurgische Schlämme, »Black Mass« aus Altbatterien und geothermische Solen. Daraus entstehen hochreine Sulfate von Kobalt, Nickel und Mangan, Graphit sowie Lithiumcarbonat für NMC811 Kathoden und Anodenmaterialien. Parallel werden die Prozesse nach dem Prinzip »Safe and Sustainable by Design« optimiert und hinsichtlich Ökobilanz, Kosten und sozialer Auswirkungen bewertet.

Lösungsansatz

M‑BAT setzt auf vier komplementäre Prozesslinien:

•  Rückgewinnung von Graphit und batterietauglichen Metallsalzen aus »Black Mass« mittels Flotation und Hydrometallurgie.
•  Hydrometallurgische Aufbereitung von Nickel‑ und Kobaltschlämmen aus der Kupferproduktion.
•  Hochdruck‑Säureauflösung von sulfidischen Tailings mit nachgeschalteter selektiver Kobalt-Abtrennung. Der verbleibende eisenreiche Feststoff wird als Rohstoff in der Zementproduktion eingesetzt.
•  Elektrochemische Direct‑Lithium‑Extraktion aus geothermischen Solen mit anschließender Lithiumcarbonat-Fällung.

Diesen Prozess verantwortet das Fraunhofer ISE und bringt seine Erfahrung aus früheren Projekten ein. Das Forschungsteam setzt auf das Prinzip der »Lithium-Ionen-Pumpe«. Mithilfe eines elektrischen Feldes werden Lithium-Ionen gezielt in eine Lithium-Mangan-Oxid-Elektrode eingelagert. Wird die Polarität umgekehrt, werden die Ionen wieder freigesetzt und in einer separaten Lösung gesammelt. Gleichzeitig werden Natrium-Ionen aufgenommen, um den Ladungsausgleich sicherzustellen. Auf diese Weise entsteht eine konzentrierte und hochreine Lithiumchlorid-Lösung unter Verbrauch von Natrium-Ionen.

Ergebnisse

Im Projekt sollen Prozesse demonstriert werden, die Lithiumcarbonat, Kobalt‑, Nickel‑ und Mangansulfat sowie Graphit in Batteriequalität liefern – bei hohen Ausbeuten und deutlich reduzierten Umweltwirkungen gegenüber konventionellen Verfahren. Die geplante Pilotanlage am Geothermiestandort von Cornish Lithium ist auf rund 350 kg Lithiumcarbonat pro Jahr ausgelegt und zeigt, dass Direkt‑Lithium‑Extraktion unter realen Geothermiebedingungen technisch machbar ist. Alle gewonnenen Materialien werden von CIC energiGUNE und CeNTI in NMC‑811‑Kathoden, Graphitanoden und vollständigen Zellen getestet. Ökobilanz‑ und Kostenanalysen sowie sozialwissenschaftliche Studien liefern Entscheidungsgrundlagen für eine spätere industrielle Skalierung und Ausweitung innerhalb Europas.

• IDENER Research & Development AIE (Koordinator, ES)
• Fraunhofer ISE (DE)
• Universität Bremen (DE)
• Lukasiewicz – Instytut Metali Nieżelaznych (PL)
• Cactus Investigación Cualitativa y Comunicación S.L. (ES)
• Cobre Las Cruces S.A. (ES)
• Universitat Politècnica de Catalunya (ES)
• CETAQUA – Centro Tecnológico del Agua (ES)
• CIC energiGUNE (ES)
• CeNTI – Centro de Nanotecnologia e Materiais Técnicos Funcionais e Inteligentes (PT)
• Università degli Studi di Torino (IT)
• Asistencias Técnicas Clave S.L. (ES)
• Agency of European Innovations (UA)
• Batpower – Portuguese Battery Cluster (PT)
• ENERIS B&R Sp. z o.o. (PL)
• KGHM Polska Miedź S.A. (PL)
• Industria Cementi Giovanni Rossi S.p.A. (IT)
• Cornish Lithium PLC (UK)