Thermodynamische Datenbankentwicklung für das System Li2O-Al2O3-SiO2-MnOx: Anwendung für das Recycling von Li

• Antragstellerin: Privatdozentin Dr. Olga Fabrichnaya, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 470392360

Im Zuge der fortschreitenden Entwicklung der Elektromobilität, werden auch den Lithiumionenbatterien (LIB) und deren Recycling eine steigende Bedeutung zugewiesen. Da die zweite Generation der LIB Mn vorwiegend in Form von festen Lösungen: Li(Co1-x-yNixMny)O2 oder als LiMn2O4-Spinell als Kathodenmaterial verwendet wird, können durch ein gezieltes Recycling dieser Batterien wertvolle Bestandteile wie Li, sowie die Übergangsmetalle Co und Ni, zurückgewonnen werden. Mithilfe von pyrometallurgischen Methoden, wie der Schmelzreduktion, ist es beispielsweise bei niedrigen Sauerstoffpartialdrücken möglich, den Großteil der schweren Metalle (Co, Ni, Cu) in der metallischen Schmelze zu binden, während Li und Mn in der Schlacke gebunden werden, welche sich hauptsächlich aus Al2O3 und SiO2 zusammensetzt. Somit ist das Li2O-Al2O3-SiO2-MnOx System für die gezielte Rückgewinnung von Li besonders relevant, da auf Grundlage von thermodynamischen Rechnungen die optimalen Bedingungen für eine maximale Löslichkeit von Li in der Schlacke ermittelt werden können.Das Ziel des beantragten Projektes ist es hierbei eine thermodynamische Datenbank für das Li2O-Al2O3-SiO2-MnOx System, auf Grundlage der CALPHAD Methode, zu entwickeln, deren Phasenbeschreibungen auf Kristallstrukturdaten beruhen und in dem die Flüssigphase mithilfe des Zweiuntergittermodells für partiell ionische Flüssigkeiten beschrieben ist. Die verschiedenen Arbeitsprogramme beinhalten, neben der thermodynamischen Modellierung von komplexen festen und flüssigen Phasen, auch Phasengleichgewichtsuntersuchungen, Thermische Analysen, sowie die kalorimetrische Bestimmung von thermodynamischen Größen. Die thermodynamische Modellierung der angrenzenden Subsysteme wird dabei aufbauend auf Literaturdaten, sowie eigenen experimentellen Untersuchungen durchgeführt. Besonders die experimentelle Untersuchung und die anschließende Entwicklung einer thermodynamischen Beschreibung für die Systeme Li2O-MnOx-Al2O3 und Li2O-MnOx-SiO2 ist hier neuartig, da hierzu bisher keine Daten in der Literatur vorhanden sind. Ein Teil der dafür notwendigen Daten werden mithilfe von wärmebehandelten Proben generiert, welche anschließend mit REM, EDX und XRD charakterisiert werden. Zudem werden Schmelzreaktionen mittels DTA untersucht und die Wärmekapazitäten der unterschiedlichen Phasen mittels DSC bestimmt.Schließlich werden die thermodynamischen Beschreibungen der Subsysteme in einer Datenbank für das Li2O-Al2O3-SiO2-MnOx System zusammengeführt, um eine Nutzbarkeit für die Li Aufarbeitung zu ermöglichen. Diese soll mithilfe von Schlüsselexperimenten untermauert und schlussendlich genutzt werden, um die Zusammensetzung der Schlacke nach der Schmelzreduktion gezielt zu beeinflussen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2315: Maßgeschneiderte künstliche Minerale (EnAM) - ein geometallurgisches Werkzeug zum Recycling kritischer Elemente aus Reststoffströmen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Kooperationspartner: Professor Dr. Hans Flandorfer