Formation of critical compounds in recycling slags - a study of melt chemistry with MD simulation and solid products in a micropraeparative approach

Die zunehmende Komplexität von Produkten und darin verwendeter Komponenten und Verbunde aus dem Hightech-Bereich führt dazu, dass mittlerweile eine Vielzahl von Elementen mit unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften verbaut werden. Dabei reichen herkömmliche Methoden der Demontage und der mechanischen Aufbereitung der zum Teil mikroskopisch kleinen Bauteile nicht mehr aus, um die Rückgewinnung aller Wertträger sicher zu stellen, was speziell für wirtschaftsstrategische Rohstoffe in geringen Konzentrationen kritisch ist. Daher werden pyrometallurgische Prozesse eingesetzt, bei denen aber ein Teil der Wertträger in die Schlacken ausgetrieben werden und verloren gehen. Die Rückgewinnung der häufig in geringen Konzentrationen enthaltenen Wertträger aus den Schlacken ist das Ziel des DFG-Schwerpunktprogramms „Maßgeschneiderte künstliche Minerale (EnAM) - ein geometallurgisches Werkzeug zum Recycling kritischer Elemente aus Reststoffströmen“ der TU Clausthal, in das dieses Projekt eingebettet ist.

In unserem Projekt „Entstehung kritischer Verbindungen in Recycling-Schlacken - eine Studie der Chemie der Schmelze mit MD Simulation und der festen Produkte in einem mikropraeparativen Ansatz“ soll gemeinsam mit Herr Dr. Thomas Schirmer (Institut für Endlagerforschung) und Frau Professor Ursula Fittschen (Institut für Anorganische und Analytische Chemie) zum einen mit Hilfe von Molekulardynamiksimulationen (MD) und zum anderen auf Basis von mikropraeparativen Ansätzen das Verhalten der beim Recycling von z.B. Elektronikprodukten und Batterien entstehenden Schlacken untersucht werden. Im Rahmen des Projektes soll u.a. der Einfluss von Mangan (Mn) auf die Bildung von LiAlO₂ aus Al₂O₃, MgO, CaO, Li₂O, MnO, SiO₂-Schmelzen analysiert werden. Mangan tritt insbesondere beim Recycling von Lithiumionen-Batterien, die vom Smartphone bis zum Elektroauto als Energiespeicher verwendet werden, auf und verändert die Bildung von Lithium-Verbindungen erheblich und behindert die Kristallisation von LiAlO₂. Die Prozesse, die unmittelbar vor der Erstarrung in der Schmelze auftreten, werden mit Hilfe von Molekulardynamiksimulationen untersucht. Mit Hilfe von Mikroprobenpräparation, der Anwendung von Inkjet-Drucktechnologie und materialanalytischen Werkzeugen wird die Mikrostruktur der erstarrten Verbindungen charakterisiert. Ziel des Vorhabens ist es, die bei der Erstarrung der Schlacken relevanten Prozesse verstehen und vorhersagen zu können, um so das effiziente Recycling von Li-Ionen-Batterien und damit eine zirkuläre Batterieproduktion zu ermöglichen.

• S. Chakrabarty, D. A. De Abreu, I. A. Alhafez, O. Fabrichnaya, N. Merkert, A. Schnickmann, T. Schirmer, U. E. A. Fittschen, M. Fischlschweiger, Kinetics of γ-LiAlO2 Formation out of Li2O-Al2O3 Melt—A Molecular Dynamics-Informed Non-Equilibrium Thermodynamic Study Solids 5:561, DOI: 10.3390/solids5040038, 2024.
• S. Hampel, I. A. Alhafez, A. Schnickmann, S. Wunderlich, H. Li, M. Fischlschweiger, T. Schirmer, N. Merkert, U. E. A. Fittschen. Experimental and Simulation Studies on the Mn Oxidation State Evolution of a Li2O-MnOx-CaO-SiO2 Slag Analogue. Minerals 14(9):868, 2024.
• S. Hampel, I. A. Alhafez, T. Schirmer, N. Merkert, S. Wunderlich, A. Schnickmann, H. Li, M. Fischlschweiger, U. E. A. Fittschen. Engineering Compounds for the Recovery of Critical Elements from Slags: Melt Characteristics of Li5AlO4, LiAlO2, and LiAl5O8. ACS Omega, DOI: 10.1021/acsomega. 4c00723, 2024.
• U. E. A. Fittschen, S. Hampel, T. Schirmer, N. Merkert. Multimodal spectroscopy and molecular dynamic simulations to understand redox-chemistry and compound formation in pyrometallurgical slags: example of manganese oxidation state with respect to lithium recycling. Appl. Spectrosc. Rev., DOI: 10.1080/05704928.2024.2350988, 2024.

• Prof. Dr. Nina Merkert