ENVIRONMENTAL SOLUTIONS
Bahnbrechende Technologie für die Lithiumproduktion
Hintergrund
Laut der Internationalen Energieagentur (IEA) stieg der weltweite Umsatz mit neuen Elektrofahrzeugen von 3 Millionen im Jahr 2020 auf 6,6 Millionen im Jahr 2021. Aufgrund der Tatsache, dass der Verkauf von Benzin- und Dieselfahrzeugen in immer mehr Ländern eingestellt werden soll, wird die Nachfrage nach Batterien in Elektrofahrzeugen noch weiter steigen.
Angesichts der zunehmenden globalen Anstrengungen zur Bekämpfung des Klimawandels müssen Batteriehersteller und ihre Lieferketten Wege finden, um der schnell wachsenden Nachfrage nach Elektrofahrzeugen gerecht zu werden. Um dieses Ziel zu erreichen, hat Sensmet, ein kleines Start-up aus Finnland, eine Technologie zur Online-Überwachung entwickelt, die einen massiven Entwicklungssprung sowohl bei der Herstellung als auch beim Recycling von Batteriemetallen verspricht. Dr. Toni Laurila, CEO von Sensmet, erklärt: „Wir bringen die Analyseleistung der optischen Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma im Labor (ICP-OES) sehr nahe an den Produktionsprozess heran, bei dem die Werte der Metallkonzentrationen dringend in Echtzeit benötigt werden. Im Vergleich zur Laboranalyse ist die Technologie von Sensmet eine robuste, vollautomatische Online-Messung, die enorme Vorteile für Prozessmanagement und Qualitätskontrolle bietet.“
Traditionell mussten sich Hersteller von Batteriemetallen zur Prozesskontrolle auf Chargenproben und Laboranalysen verlassen, was jedoch in der Regel Verzögerungen von 4–10 Stunden bedeutete. Mit der Micro-Discharge Optical Emission Spectroscopy µDOES® hat Sensmet eine bahnbrechende Online-Technologie entwickelt, die mehrere Metalle (einschließlich Alkalimetalle, d. h. jedes Batteriemetall und deren Verunreinigungen) in Echtzeit messen kann.
Bis eine Probe in einem Labor entnommen und analysiert wird, können mehrere Stunden vergehen, sodass Prozessmanager nicht in der Lage sind, die Dosierung von Chemikalien effizient anzupassen. Dadurch werden Rohmaterialien verschwendet und die Produktreinheit, d. h. die wichtigste Produktqualität, ist schwer zu kontrollieren. Dies ist besonders wichtig, da Verunreinigungen die Leistung von Li-Ionen-Batterien erheblich beeinträchtigen. Die Probenahme für Laboranalysen ist mühsam und teuer und es ist oft ziemlich schwierig, diese rund um die Uhr (24/7) zuverlässig zu gewährleisten. Aus diesen Gründen ist eine kontinuierliche Überwachung seit langem ein großes Ziel in der Lithiumherstellung und nach erfolgreichen Versuchen in unterschiedlichen Fabriken ist die Branche über die Erreichung dieses Ziels sehr erfreut.
MARCH/APRIL 2023
Schätzungen zufolge werden bis 2050 zwei Milliarden batterie- und brennstoffzellenbetriebene Elektro-, Plug-in-Hybrid- oder Nutzfahrzeuge benötigt, um die Ziele im Hinblick auf Net Zero zu erreichen. Jeder Lithium-Ionen-Akkupack eines Elektrofahrzeugs enthält rund 8 kg Lithium, und im vergangenen Jahr lag die weltweite Lithiumproduktion bei 100.000 Tonnen. Lithium wird auch für eine Vielzahl anderer Produkte benötigt, darunter Mobiltelefone, Laptops und Energiespeichersysteme. Folglich besteht ein großes Interesse daran, Lithium effizient, in hoher Qualität und schnell zu produzieren. Ebenso wird es nötig sein, die Batteriekomponenten von Elektrofahrzeugen, die das Ende ihrer Nutzungsdauer erreicht haben, zu recyceln.
Für die Batterieherstellung wird hochreines Lithiumhydroxid oder Lithiumcarbonat benötigt. Verunreinigungen stellen eine große Herausforderung dar, da sie häufigeres Laden und schlechtere Fahr- und Ladeleistungen insbesondere bei kalten Temperaturen verursachen, wodurch die Reichweite von Elektrofahrzeugen sinkt. In einigen Fällen können sie sogar zu einer Überhitzung der Batterien führen.
Kontinuierliche Multimetall-Überwachungstechnologie Die Micro-Discharge Optical Emission Spectroscopy, µDOES®, von Sensmet ermöglicht die Multimetallanalyse von wässrigen Proben in Echtzeit. Neben der Lithiumherstellung eignet sich die Technologie auch für das Recycling der „schwarzen Masse“ von Batteriemetallen.
Die patentierte µDOES®-Technologie basiert auf der Atomemissionsspektrometrie. Direkt in der wässrigen Probe entsteht eine Mikroentladung (elektrischer Funke), wodurch ein mikroskopisches Volumen der den Funken umgebenden Flüssigkeit auf 10.000 °C erhitzt wird. Molekularspezies in der Mikroentladung werden in Atome zerlegt, die in ihre jeweils höheren elektronischen Zustände angeregt werden. Bei der Rückkehr in den Grundzustand setzen diese Atome ihre überschüssige Energie durch Emission von Licht mit ihren charakteristischen Wellenlängen frei. Das µDOES® misst dieses atomare Emissionsspektrum, um eine quantitative Analyse der in der Probe enthaltenen Metalle abzuleiten.
Die Daten des µDOES®-Analysators werden lokal als Konzentrationen und Trends für jedes Metall angezeigt. Für jedes Element können entsprechende Alarmstufen eingestellt werden. Die Ergebnisse werden digital in die Datenbanken der Nutzer und/oder in die Cloud übertragen.
Bei hydrometallurgischen Prozessen, die nicht durch die Überwachung des pH-Werts kontrollierbar sind, sind direkte Messungen gelöster Metallkonzentrationen essentiell. Es gibt alternative Überwachungsmethoden, die jedoch alle mit erheblichen Einschränkungen verbunden sind. Zum Beispiel ist
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