Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur hydrometallurgischen Rückgewinnung von Lithium aus der Lithium-Manganoxid haltigen Fraktion gebrauchter galvanischer Zellen.

Mobile elektronische Geräte benötigen zur unabhängigen Stromversorgung immer leistungsfähigere wieder aufladbare Batterien. Für diese Zwecke werden wegen ihrer Energiedichte ausgedrückt in Wh/kg, der Zyklenbeständigkeit und der geringen Selbstentladung Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt. Sehr weitverbreitet sind Lithium- Ionen-Batterien mit Übergangsmetalloxiden als aktives Kathodenmaterial. Das aktive Kathodenmaterialien in diesen Batterien besteht aus Lithium- Übergangsmetalloxiden, aus dem beim Ladevorgang Lithiumionen freigesetzt und in das Anodenmaterial interkaliert werden. Von besonderer Bedeutung sind die Mischoxide des Lithiums mit denen des Mangans, die auch unter der Abkürzung Manganspinell-Zellen oder -Batterien bekannt sind. Großformatige Lithiumakkumulatoren werden für stationäre Anwendungen (power back-up) oder im Automobilbereich für Traktionszwecke (Hybridantriebe oder reinelektrischen Antrieb) eingesetzt. Im Hinblick auf die Sicherheit bei letztgenannten Anwendungen wird Lithium-Manganoxid -Batterien eine überragende Bedeutung eingeräumt. Da mit der Größe und der Anzahl der hergestellten, ge- und anschließend verbrauchten Batterien die Menge der darin enthaltenen Wertstoffe wächst, ist ein ökonomisches Verfahren zur Rückgewinnung des in den Batterien enthaltenen Lithiums erforderlich.

Aus dem Dokument WO 2012/072619 A1 ist ein Verfahren zur Rückgewinnung von Lithium aus der LiFeP0 ₄ -haltigen Fraktion geschredderter und gesichteter Zellen bekannt, bei dem die LiFeP0 ₄ -haltige Fraktion mit Säurelösung in Gegenwart eines Oxidationsmittels behandelt wird. Die herausgelösten Lithiumionen werden vom ungelösten Eisenphosphat abgetrennt und aus der Lithium haltigen Lösung als Salz gefällt. Die hydrometallurgische Aufarbeitung erfolgt mit verdünnter Schwefelsäure unter Einleitung von Sauerstoff, Ozon oder Zusatz von Wasserstoffperoxid im Temperaturbereich von 80°C bis 120°C.

Nachteilig an diesem Verfahren ist die hohe Energieintensivität des Extraktionsprozesses, die hohen Anforderungen hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit der eingesetzten Apparaturen und die Reinheit der durch Ausfällung erhältlichen Lithiumsalze.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren anzugeben, das höchstmögliche Energieeffizienz bei der Extraktion des Lithiums bei gleichzeitig niedrigen Anforderungen hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit der eingesetzten Extraktionsapparatur und erhöhte Reinheit der erhaltenen Lithiumverbindungen sicherstellt. Die gestellte Aufgabe wird gelöst, durch ein Verfahren zur hydrometallurgischen Rückgewinnung von Lithium aus der Lithium-Manganoxid haltigen Fraktion gebrauchter galvanischer Zellen, bei dem eine Lithium-Manganoxid haltige Fraktion mit einer Partikelgröße bis 500 μηη in die bezogen auf den Mangangehalt im Lithium- Manganoxid überstöchiometrischen Menge Oxalsäure und einem Feststoff zu Flüssigkeits-Verhältnis im Bereich von 10 bis 250 g/l eingebracht bei Temperaturen von 30 bis 70°C aufgeschlossen, die gebildete Lithium haltige Lösung abgetrennt und der verbleibende Rückstand mindestens zweimal gewaschen, die abgetrennte Lithium- und die Lithium haltigen Wasch-Lösungen vereinigt, noch gelöste Manganrestgehalte durch Fällung als Hydroxid reduziert, abgetrennt und gewaschen werden und die verbleibende Lithium haltige Lösung durch Überführung in das Karbonat, Chlorid oder Sulfat und ggf. anschließender Kristallisation weiter gereinigt wird. Überraschender Weise wurde gefunden, dass die Extraktion des Lithiums ohne zusätzliche Wärmequelle, bereits bei Ausnutzung der während der Extraktion freiwerdenden Reaktionswärme stattfindet. Dadurch, dass die Reaktionswärme durch die Dosierung des Reduktionsmittels kontrolliert und sehr gering gehalten wird, kann eine quasi autokatalytische Zersetzung des Reduktionsmittels generell vermieden werden. Zur Extraktion des Lithiums müssen quasi nur stöchiometrische Mengen Reduktionmittel eingesetzt werden. Das Mangan fällt in Abhängigkeit der gewählten Reaktionsbedingungen bereits während der Extraktion vorwiegend als ungelöstes Manganoxalat an.

Dabei wird unter den angegebenen milden hydrometallurgischen Aufschlussbedingungen das enthaltene Lithium zu mehr als 95 Gew.-% in Lösung gebracht und zu mehr als 90 Gew.-% zurück gewonnen.

Vorzugsweise wird weiterhin der Gehalt an mehrwertigen Metallkationen mittels Ionenaustauscher reduziert. Der verminderte Gehalt an mehrwertigen Metallkationen wirkt sich insbesondere positiv auf eine weitere Prozessierung der Lösung mittels Elektrodialyse mit bipolaren Membranen aus, da hier diese Metallkationen als „Membrangifte" aufgrund ihrer Abscheidung in Form der Hydroxide in und auf den eingesetzten Membranen wirken.

Besonders bevorzugt weist die Lithium-Manganoxid haltige Fraktion eine Partikelgröße bis 500 pm, vorzugsweise 100 bis 400 pm auf. Der Einsatz der genannten Partikelgröße verbessert das Aufschlussverhalten.

Vorteilhafter Weise wird die Oxalsäure mit einer Konzentration von 0,2 bis 1 ,2 mol/l, vorzugsweise 0,5 bis 1 ,0 mol/l oder als direkt als Feststoff eingesetzt. Der Einsatz von fester Oxalsäure vermindert das Reaktionsvolumen beträchtlich.

Besonders bevorzugt wird das Feststoff zu Flüssigkeits-Verhältnis im Bereich von 20 bis 200 g/l, vorzugsweise 45 bis 90 g/l eingestellt. Trotz des hohen Feststoffgehaltes in der Reaktionsmischung wird das enthaltene Lithium nahezu quantitativ in Lösung gebracht.

Vorzugsweise wird der Aufschluss bei Temperaturen von 35 bis 65°C, vorzugsweise von 40 bis 60°C durchgeführt. Überraschender Weise wird dadurch die Effektivität des Herauslösens des Lithiums weder hinsichtlich der Zeitdauer noch der Menge wesentlich beeinflusst. Der genannte Temperaturbereich ist mit einfachen anlagentechnischen Mitteln einstellbar.

Vorteilhafter Weise wird der Aufschlussrückstand mindestens dreimal gewaschen. Es wurde gefunden, dass damit mehr als 90 Gew.-% des enthaltenen Lithiums erhalten werden kann.

Vorzugsweise wird die Oxalsäure im Überschuss eingesetzt, um eine gleichzeitige Fällung von Manganoxalat und Lithium in Form des Karbonats zu vermeiden. Besonders bevorzugt wird ein 0,1 bis 1 molarer Überschuss, vorzugsweise ein 0,2 bis 0,8 molarer Überschuss eingesetzt. Das nach dem Verfahren hergestellte Produkt ist hinsichtlich seiner Reinheit für die Produktion von Lithium-Übergangsmetalloxiden oder Lithium-Übergangsmetallphosphaten geeignet und kann vorzugsweise zur Herstellung von Aktivmaterialien zur Verwendung in Kathoden von Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden.

Im Folgenden wird der erfindungsgemäße Prozess allgemein beschrieben. Beispiele

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele und der Tabelle 1 erläutert.

Unter den in Tabelle 1 angegebenen Bedingungen wurden 6 Versuche unter den angegebenen Bedingungen mit einer Lithium-Manganoxid haltigen Fraktion durchgeführt.