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Influences of different pre-treatments, settings and cell types on the first process stage of a mechanical recycling process for automotive lithium-ion batteries

Wilke, Christian 06 February 2025 (has links)
This thesis addresses the mechanical recycling of lithium-ion batteries, more precisely the influences on the first process stage of the process developed at TU Bergakademie Freiberg. The recycling of lithium-ion batteries becomes more important with the increasing number of electric vehicles due to the transition in the transport sector. To achieve the new recycling targets introduced by the European Union in 2023, mechanical recycling in combination with hydrometallurgical treatment is the one option that gains more and more importance. The investigated process employs a two-stage comminution, classification and separation process. This thesis focuses only on the first stage and investigates possible variations of input materials and machine settings as well as an additional subprocess and their impact on the products. The varied parameters are the depth of discharge of the battery cells, an additional thermal pre-treatment at different temperatures, a variation of the crusher discharge grid size and the drying temperature after crushing. Furthermore, the robustness of the process was tested with various cell types to ensure its effectiveness with different inputs. Generally speaking, the process consists of a comminution followed by drying and separation of the liberated coatings by sieving as so-called black mass. The coarse fraction is further treated by air classification to produce three products: separator, electrodes and casing fraction. The influence of the different parameters is analysed regarding the crushing in terms of required specific stress energy and particle size distribution of the crushing product. The products of the air classifier and the black mass are analysed regarding their composition to evaluate the product quality and to calculate the recovery rates. Finally, recommendations are given for an optimisation of this part of the mechanical recycling process.:1. Introduction 2. Lithium-ion batteries 3. Mechanical recycling of lithium-ion batteries 3.1. Legal conditions 3.2. Market situation 3.3. Health and safety 3.4. Processing 3.4.1. Discharge 3.4.2. Comminution 3.4.3. Thermal treatment 3.4.4. Separation 3.4.5. Hydrometallurgy 4. Materials, methodology and preliminary tests 4.1. Materials 4.1.1. Investigated cell types 4.1.2. Materials for preliminary tests 4.1.3. Materials used in the publications 4.2. Methodology and preliminary tests 4.2.1. Recycling process and machines 4.2.2. Analysis Methods 4.2.3. Calculations 5. Data 6. Conclusion and outlook References Publications Appendix / Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem mechanischen Recycling von Lithium-Ionen-Batterien, genauer gesagt mit den Einflüssen auf die erste Prozessstufe des an der TU Bergakademie Freiberg entwickelten Verfahrens. Das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien wird mit der zunehmenden Anzahl von Elektrofahrzeugen aufgrund des Wandels im Verkehrssektor immer wichtiger. Um die neuen Recyclingziele der Europäischen Union zu erreichen, gewinnt das mechanische Recycling in Kombination mit einer hydrometallurgischen Behandlung immer mehr an Bedeutung. Der untersuchte Prozess basiert auf einem zweistufigen Zerkleinerungs- und Trennungsverfahren. Diese Arbeit konzentriert sich nur auf die Primärstufe und untersucht mögliche Variationen des Inputs und der Einstellungen sowie die Erweiterung um einen zusätzlichen Teilprozess und die sich daraus ergebenen Auswirkungen auf die Produkte. Die veränderten Parameter sind die Entladetiefe, eine zusätzliche thermische Vorbehandlung bei unterschiedlichen Temperaturen, eine Variation der Rostweite im Austrag des Zerkleinerers und die Trocknungstemperatur nach dem Zerkleinern. Zusätzlich wird der Prozess mit verschiedenen Zelltypen auf seine Robustheit bei unterschiedlichen Aufgabematerialien getestet. Der Prozess besteht aus einer Zerkleinerung mit anschließender Trocknung und einer Abtrennung der aufgeschlossenen Beschichtungen durch Absiebung als so genannte Schwarzmasse. Die Grobfraktion wird mit einer Aerostromsortierung weiterverarbeitet, um drei Produkte zu erzeugen: Separator-, Elektroden- und Gehäusefraktion. Der Einfluss der verschiedenen Parameter auf die Zerkleinerung wird im Hinblick auf die erforderliche spezifische Beanspruchungsenergie und die Partikelgrößenverteilung des Zerkleinerungsprodukts analysiert. Die Produkte des Windsichters und die Schwarzmasse werden hinsichtlich ihrer Zusammensetzung analysiert um die Produktqualität zu bewerten und das Wertstoffausbringen zu berechnen. Abschließend werden Empfehlungen für eine Optimierung des mechanischen Recyclingprozesses gegeben.:1. Introduction 2. Lithium-ion batteries 3. Mechanical recycling of lithium-ion batteries 3.1. Legal conditions 3.2. Market situation 3.3. Health and safety 3.4. Processing 3.4.1. Discharge 3.4.2. Comminution 3.4.3. Thermal treatment 3.4.4. Separation 3.4.5. Hydrometallurgy 4. Materials, methodology and preliminary tests 4.1. Materials 4.1.1. Investigated cell types 4.1.2. Materials for preliminary tests 4.1.3. Materials used in the publications 4.2. Methodology and preliminary tests 4.2.1. Recycling process and machines 4.2.2. Analysis Methods 4.2.3. Calculations 5. Data 6. Conclusion and outlook References Publications Appendix

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