Entstehung kritischer Verbindungen in Recycling Schlacken - eine Studie der Chemie der Schmelze mit MD Simulation und der festen Produkte in einem mikropraeparativen Ansatz

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Ursula Fittschen; Professorin Dr. Nina Merkert; Dr. Thomas Schirmer
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 470367641

Die Rückgewinnung von Li aus pyrometallurgischen Li-Ionen-Batterierecyclinschlacken, ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer echten Kreislaufwirtschaft. Die teilkristalline Schlacke besteht hauptsächlich aus oxidischen Verbindungen der Elemente Ca Si, Li sowie Mn, Al und Mg. Ist die Schmelze Mn-frei, kann Li durch Zugabe von Aluminium in eine leicht abtrennbare LiAlO2-Phase dirigiert werden, die als künstliches Mineral (EnAM) betrachtet werden kann. Werden Mn-haltige Kathodenmaterialien in das Recycling eingebracht, wird die Bildung von LiAlO2 unterdrückt, und Li verteilt sich auf verschiedene Verbindungen. Im ersten Teil des Projekts wurden Lithiummanganate, z.B. Li2Mn(IV)O3, als vielversprechende EnAM-Alternativen identifiziert, die aus einer Al-freien Schmelze das gesamte Lithium in einer einzigen Phase binden können. Mangan ist sowohl in den Lithiummanganaten als auch in den entstandenen Silikaten enthalten. In Letzteren hat Mn eine niedrigere Oxidationsstufe. Bei der Untersuchung quasi-amorpher Schlacken fanden wir Hinweise auf eine Trennung der Schmelze mit signifikant unterschiedlichen Viskositäten der getrennten Phasen. In der Phase mit der niedrigeren Viskosität wies Mn die höhere Oxidationsstufe auf. Aus diesen Beobachtungen leiten wir die Hypothese ab, dass die Oxidationsstufe des Mangans maßgeblich von der Phasentrennung und der Viskosität mitbestimmt wird. Beide haben einen entscheidenden Einfluss auf die Durchlässigkeit von Sauerstoff und anderen redoxaktiven Gasen (z.B. CO). Die lokale Zusammensetzung wird ebenfalls durch die Phasentrennung bestimmt. Eine Fest-Flüssig-Trennung führt zu einer allmählichen Konzentrationsänderung in der Schmelze, während eine Flüssig-Flüssig-Trennung einen scharfen Konzentrationsunterschied bewirkt. Unser Ziel in diesem Projekt ist, die Erstarrungsprozesse einschließlich der Mn-Valenzmanifestation von Schmelzen der oxidischen Verbindungen der Elemente Li, Si, Ca sowie Mn, Al und Mg zu verstehen, indem wir die molekulare Struktur und die Viskositäten unter Berücksichtigung scharfer und kontinuierlicher Konzentrationsgradienten beschreiben. Die Konzentrationsgradienten können inkrementell abgebildet werden. Wir werden Schlacken mit verschiedenen Mn-Oxidationsstufen synthetisieren und die Viskositäten molekulardynamisch simulieren. Wir werden die Schmelzen verschiedenen Temperaturgradienten und Sauerstoffpartialdrücken aussetzen und den Einfluss auf die Phasentrennung und den Mn-Oxidationszustand beobachten. Die Viskosität, die Diffusion einzelner Ionen und das Aufbrechen von Netzwerken werden durch MD-Simulationen bestimmt. Schlackenanaloge und reine Verbindungen werden in kleinen Batches und durch flexible Mikrosynthese mit Pikoliterdrucken hergestellt, die eine hohe Dispersität der Elemente vor der thermischen Behandlung liefern. Durch materialanalytische Untersuchungen der Probe werden die Vorhersagen, die sich aus den MD Simulationen und den eingestellten Parametern ergeben, evaluiert.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2315: Maßgeschneiderte künstliche Minerale (EnAM) - ein geometallurgisches Werkzeug zum Recycling kritischer Elemente aus Reststoffströmen