KDBR – KYBURZ Direktes Batterie Recycling

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502418

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Das vorliegende Projekt hat folgenden Inhalt: Lithium-Ionen-Batterien spielen bei der Energiewende eine zentrale Rolle. Erreichen die Batterien das Ende ihrer Lebensdauer, werden sie geschreddert und hydro- und/oder pyrometallurgisch behandelt. Diese Recyclingverfahren zerstören die Materialmorphologie und erfordern einen hohen Aufwand bei der Materialaufbereitung. Sie sind energieintensiv und potenziell umweltbelastend. KYBURZ realisiert als erste Firma direktes Recycling für Lithium-Ionen-Batterien. Ein innovatives Verfahren ermöglicht die Rückgewinnung von über 96% der endlichen Ressourcen und eine Reduktion des Energiebedarfs um über 80% gegenüber den gängigen Methoden. Die Neuartigkeit des Verfahrens besteht darin, dass die Batterien - anstatt geschreddert zu werden - dank prozesstechnischen Vorganges verunreinigungsfrei in ihre Ausgangsmaterialien aufgetrennt werden. Die Aktivmaterialien behalten ihre Eigenschaften für die Lithiumeinlagerung und können mit minimalem Aufwand für den erneuten Einsatz aufbereitet werden.

Kurzbeschreibung (Englisch)

This project has the following content: Lithium-ion batteries play a central role in the energy transition. When the batteries reach the end of their service life, they are shredded and hydro- and/or pyrometallurgically treated. These recycling processes destroy the material morphology and require a great deal of material processing. They are energy intensive and potentially harmful to the environment. KYBURZ is the first company to realize direct recycling for lithium-ion batteries. An innovative process enables the recovery of over 96% of finite resources and a reduction in energy requirements of over 80% compared to current methods. The novelty of the process lies in the fact that the batteries - instead of being shredded - are separated into their original materials without contamination thanks to process engineering. The active materials retain their properties for lithium storage and can be prepared for reuse with minimal effort.

Kurzbeschreibung (Französisch)

Le présent projet a le contenu suivant : les batteries lithium-ion jouent un rôle central dans la transition énergétique. Lorsque les batteries arrivent en fin de vie, elles sont déchiquetées et traitées par hydro et/ou pyrométallurgie. Ces procédés de recyclage détruisent la morphologie des matériaux et nécessitent un traitement important des matériaux. Ils sont gourmands en énergie et potentiellement polluants. KYBURZ est la première entreprise à réaliser un recyclage direct pour les batteries lithium-ion. Un procédé innovant permet de récupérer plus de 96% des ressources épuisables et de réduire les besoins en énergie de plus de 80% par rapport aux méthodes courantes. La nouveauté du procédé réside dans le fait que les batteries - au lieu d'être broyées - sont séparées en leurs matériaux de base sans impuretés grâce à un processus technique. Les matériaux actifs conservent leurs propriétés pour le stockage du lithium et peuvent être traités avec un minimum d'efforts en vue d'une nouvelle utilisation.

Schlussbericht (Deutsch)

Lithium-Ionen-Batterien (LIB) spielen eine entscheidende Rolle in der Energiewende. Am Ende ihrer Lebensdauer (EoL) werden die LIBs vor pyrometallurgischer und/oder hydrometallurgischer Behandlung zerkleinert und sortiert. Diese Recyclingprozesse zerstören die Materialmorphologie und sind energie- sowie chemikalienintensiv. Die Kyburz Switzerland AG hat mit Unterstützung des Bundesamts für Energie ein innovatives Recyclingverfahren entwickelt, welches die LIBs effizient in Materialfraktionen hoher Reinheit zerlegt, wobei die Aktivmaterialien ihre Kristallstrukturen beibehalten. Es können 93 % der Eingangsmasse als Ouputmaterialien zurückgewonnen werden. Die Recyclingeffizienz des Verfahrens wurde gemäss den Vorgaben der EU-Batterieverordnung (EU) 2023/1542 bewertet. Die zurückgewonnenen Kunststofffraktionen, die 27.5 % der Ouputmaterialien ausmachen, können gemäß der Verordnung nicht den Outputfraktionen angerechnet werden, da sie verbrannt werden müssen. Daraus ergibt sich eine Gesamtrecyclingeffizienz von 67.5 %, was über dem bis Ende 2025 gef orderten Wert von 65 % liegt. Der derzeitige Trend hin zu metallischen Zellgehäusen, die die Kunststoffgehäuse ersetzen, wird die Recyclingeffizienz erhöhen, da sie für deren Berechnung berücksichtigt werden können. Ausserdem wurde die Rückgewinnungsrate von Kupfer und Lithium als spezifische Zielmaterialien der EU-Batterieverordnung berechnet. Da während des gesamten Prozesses kein Kupfer verloren geht, beträgt die Kupferrückgewinnung 100 %, was über den bis Ende 2027 geforderten 90 % liegt. 67.7% des zugeführten Lithiumgehalts können in Form des FePO4/LiFePO4-Aktivmaterials zurückgewonnen werden. Das sind 17.7 % mehr als die bis Ende 2027 geforderten 50 %. Zudem wurde das Prozesswasser als potenzielle zusätzliche Lithiumquelle identifiziert. Die Materialcharakterisierung zeigte, dass beide zurückgewonnenen Aktivmaterialien – das FePO4/LiFePO4 der positiven Elektrode und das Graphit der negativen Elektrode –intakte Kristallstrukturen aufwiesen. Das FePO4/LiFePO4-Verhältnis war 27:73, selbst nach der Verarbeitung von 90 kg positiver Elektroden. Allerdings wurde festgestellt, dass der Zellhersteller zwischen verschiedenen Zellgenerationen einen Teil des leitfähigen Graphitzusatzes durch Carbon Black ersetzt hat. Dadurch wurde der Graphitanteil von etwa 7 % auf ca. 0.7 % reduziert, was zu Unterschieden in den Outputfraktionen führen kann. Das Graphit der negativen Elektrode konnte nach effizienter Entfernung des Prozesswassers mit einem Trockengehalt von 70 % zurückgewonnen werden. Dadurch wurden zudem potenzielle Verunreinigungen durchs Prozesswasser vermieden. Die Entladungskapazität des zurückgewonnenen FePO4/LiFePO4-Materials erreichte ca. 90 mAh/g, was 70 % des Referenzmaterials entspricht. Das zurückgewonnene Graphitmaterial erreichte ca. 300 mAh/g, was ca. 85 % des Referenzwerts entspricht. Die ökologischen Auswirkungen des KYBURZ-Recyclingverfahrens für LiFePO4 - Graphit-Batteriezellen wurden mit Hife einer Ökobilanz untersucht . Das KYBURZ-Verfahren weist mit 0.76 kg CO2-eq. pro Kilogramm rezyklierter Batteriezelle einen deutlich geringeren CO2-Fußabdruck auf als hydro- und pyrometallurgische Recyclingverfahren. Diese verursachen 1.4–2.2 kg CO2-eq. im Fall der Hydrometallurgie sowie 1.8–2.4 kg CO2-eq. im Fall der Pyrometallurgie. Die Entsorgung der Plastikfraktionen wurde als Hauptverursacher der Umweltbelastung identifiziert. Ein Wechsel von Kunststoff - zu Metallgehäusen wird die Umweltbelastung des KYBURZ-Verfahrens somit weiter verringern. Zusammenfassend wurde ein effizientes Recyclingverfahren entwickelt, das die Rückgewinnung von 93 % der Eingangsmasse ermöglicht. Die Vorgaben der EU-Batterieverordnung werden erfüllt, da die Recyclingeffizienz bei 67.5 % liegt und die Rückgewinnungsraten von Kupfer und Lithium 100 % bzw. 67.7 % betragen. Die zurückgewonnenen Aktivmaterialien behalten ihre Kristallstruktur bei und es wurden keine Nebenphasen entdeckt. Allerdings zeigt das zurückgewonnene FePO4/LiFePO4 ein Lithiumdeizit und im zurückgewonnenen Graphit könnte restliches Lithium interkaliert sein. Zudem zeigte die LCA, dass das Recyclingverfahren von KYBURZ eine geringere CO2-Belastung aufweist als konventionelle Recyclingverfahren.

Schlussbericht (Englisch)

Lithium-ion batteries (LIB) play a crucial role in the energy transition. End of life (EoL) batteries are shredded and sorted before undergoing pyro- and/or hydrometallurgical treatments. These recycling processes destroy the material morphologies and are energy and chemical intensive. Kyburz Switzerland AG, supported by the Swiss Federal Of f ice of Energy, established an innovative recycling process which allows effective disassembly of LIBs into material f ractions of high purity, while keeping the crystallographic structures of the active materials intact. Applying this process to end-of-life batteries, 93 % of the input mass can be recovered for further use including energy recovery. Furthermore, the recycling efficiency of the process was assessed according to the EU Battery Regulation (EU) 2023/1542 guidelines. The KYBURZ process yields an overall recycling ef f iciency of 67.5 %. In line with the regulation, plastic materials, representing 27.5 % of the total output mass, are excluded from the output fractions, as they are ultimately incinerated, and thus no recycling takes place. The current recycling efficiency exceeds the 65 % target set for the end of 2025. However, the ongoing transition from plastic to metal cell housings is expected to substantially improve recycling efficiency, as metals are considered recyclable output fractions under the regulation. Moreover, the rate of recovery for copper and lithium as specific target materials in the EU battery regulation were calculated. No copper is lost in KYBURZ' recycling process. Therefore, the copper recovery is 100 % which is above the required 90 % by end of 2027. 67.7 % of the original lithium content can be recovered in the form of FePO4/LiFePO4 active material which is 17.7 % above the required 50 % by end of 2027. Additionally, the process water was identified as an additional source for secondary lithium. Material characterization of both recovered active materials, i.e. the FePO4/LiFePO4 from the positive electrode and the graphite from the negative electrode, showed intact crystallographic structures. For the positive electrodes, the FePO4/LiFePO4 ratio was 27:73 after processing 90 kg of electrodes. It was found that the cell manufacturer replaced some conductive graphite additive with carbon black between dif ferent cell generations. Thereby, the graphite content in the positive electrode was reduced from approx. 7% to approx. 0.7 %. This highlights potential varieties in output fractions from the process. Af ter efficient separation from the process water, semi dried graphite from negative electrodes could be collected with a dryness of 70 %. With its removal potential impurities from the process water could be avoided. The discharge capacities of recovered FePO4/LiFePO4 material reached only around 90 mAh/g which corresponds to ca. 70 % of battery grade reference LiFePO4. The recovered graphite reached around 300 mAh/g which corresponds to ca. 85 % of battery grade reference graphite. A life cycle assessment (LCA) study was conducted to evaluate the ecological impact of KYBURZ' direct recycling process for LiFePO4 - graphite battery cells. The results for the KYBURZ process show a substantially lower carbon footprint compared to hydro- and pyrometallurgical recycling technologies with 0.76 kg CO2-eq. per kg of recycled battery cell. The other recycling technologies impact with 1.4 – 2.2 kg CO2-eq. for a hydrometallurgical and 1.8 – 2.4 kg CO2-eq. for a pyrometallurgical treatment. The disposal of the recovered plastic materials was identif ied as the major contributor to the environmental impacts due to their incineration. A shift from plastic to metal-based housings could therefore reduce the environmental burden of the KYBURZ recycling process. In conclusion, an efficient direct recycling process was developed that allows 93 % recovery of the input mass. The guidelines of the EU battery regulation are fulfilled, as the recycling efficiency is over 67.5 %. The recovery rate for copper and lithium are 100 % and 67.7 % respectively. The recovered active material output f ractions are crystallographic still in good condition as no side phases were observed. However, the recovered FePO4/LiFePO4 showed a lithium deficit and the recovered graphite indicates that some lithium might still be intercalated in the material. Moreover, the LCA showed that KYBURZ' direct battery recycling process is charged with a lower carbon footprint compared to conventional recycling processes.

Zugehörige Dokumente

• Finael report_english [PDF] 3'072 kB

Schlussbericht (Französisch)

Les batteries lithium-ion (LIB) jouent un rôle crucial dans la transition énergétique. Les batteries en fin de vie (EoL) seront broyées et triées avant d’être traitées par des procédés pyrométallurgiques et/ou hydrométallurgiques. Ces procédés de recyclage détruisent les morphologies des matériaux et sont intensifs en énergie et en produits chimiques. Kyburz Switzerland AG, avec le soutien de l’Of f ice f édéral de l’énergie, a mis en place un procédé de recyclage innovant, qui permet de désassembler efficacement les batteries lithium-ion en f ractions de matériaux d'une grande pureté, tout en conservant intactes les structures cristallographiques des matériaux actifs. Ce procédé permet de récupérer 93 % de la masse d'entrée sous forme de matériaux recyclables. L'efficacité du processus a été évaluée conformément aux lignes directrices du règlement européen sur les batteries (UE) 2023/1542. Les matériaux secondaires en plastique, qui représentent 27.5 % du poids de la cellule, ne sont pas considérés comme des fractions réutilisables dans le cadre de la réglementation, car ils sont incinérés. L'efficacité globale du recyclage est donc de 67.5 %, ce qui est au-delà des 65 % requis pour la fin de l'année 2025. Cependant, la tendance actuelle à remplacer les enveloppes en plastique par des enveloppes en métal améliorera considérablement l'efficacité du recyclage dans un avenir proche. Le taux de récupération du cuivre et du lithium, qui sont des matériaux cibles spécifiques dans le règlement de l'UE sur les batteries, a été calculé. Aucun cuivre n'est perdu au cours du processus. Le taux de récupération du cuivre est donc de 100 %, ce qui est supérieur aux 90 % requis pour fin 2027. 67.7 % de la teneur initiale en lithium peuvent être récupérés sous forme de matière active FePO4/LiFePO4, soit 17.7 % de plus que les 50 % exigés jusqu'à la fin de 2027. En plus, l'eau de traitement a été identif iée comme une source supplémentaire de lithium secondaire. La caractérisation des matériaux a montré que la qualité des matériaux récupérés n'est pas af fectée par la mise à l'échelle du procédé f inal. Les deux matériaux actifs récupérés, c'est-à-dire le FePO4/LiFePO4 de l'électrode positive et le graphite de l'électrode négative, présentaient des structures cristallographiques intactes. Le rapport FePO4/LiFePO4 est 27:73 même après le traitement de 90 kg d'électrodes positives. Il a été constaté que le fabricant des cellules a remplacé graphite par carbon black (noir de carbone) comme agent conducteur entre dif férentes générations de cellules. La teneur en graphite est ainsi passée d'environ 7 % à environ 0.7 %. Cela met en évidence les variations potentielles des fractions de sortie du processus. Le graphite d'électrodes negatives a pu être récupéré semisec avec un taux de siccité de 70 % après une separation efficace de l'eau de procédé. Grâce à son extraction, des impuretés potentielles dans l’eau de procédé ont pu être évitées. Le matériau FePO4/LiFePO4 récupéré a atteint environ 90 mAh/g de capacité, ce qui correspond à 70 % du LiFePO4 neuf de référence. Le graphite récupéré a atteint environ 300 mAh/g, ce qui correspond à environ 85 % du graphite de référence. Une analyse du cycle de vie (ACV) a été menée pour évaluer l'impact écologique du processus de recyclage direct KYBURZ pour les cellules de batteries LiFePO4 - graphite. Les résultats montrent une empreinte carbone nettement inférieure à celle des technologies de recyclage hydrométallurgique et pyrométallurgique, avec 0.76 kg d'équivalent CO2 par kg d'élément de batterie recyclé. Les autres technologies de recyclage ont un impact de 1.4 à 2.2 kg d'équivalent CO2 pour un traitement hydrométallurgique et de 1.8 à 2.4 kg d'équivalent CO2 pour un traitement pyrométallurgique. L'étape finale du processus de recyclage a été identif iée comme le principal facteur contribuant à ces impacts, principalement en raison de l'incinération des composants en plastique du séparateur et du boîtier de la cellule. Le passage de boîtiers en plastique à des boîtiers en métal pourrait donc réduire davantage la charge environnementale du processus de recyclage de KYBURZ. En conclusion, un processus de recyclage direct a été élaboré qui permet de récupérer 93 % de la masse d'entrée. Les directives du règlement de l'UE sur les batteries sont respectées, puisque l'efficacité du recyclage est à 67.5 % et que le taux de récupération du cuivre et du lithium est de 100 % et de 67.7 %. Les f ractions de sortie des matériaux actifs récupérés sont toujours en bon état cristallographique, aucune phase latérale n'ayant été observée. Toutefois, le FePO4/LiFePO4 récupéré présente un déf icit en lithium et le graphite récupéré indique qu'une partie du lithium pourrait encore être intercalée dans le matériau. En outre, l'ACV a montré que le processus de recyclage direct des batteries de KYBURZ est chargé d'une empreinte carbone inférieure à celle des processus de recyclage conventionnels.