Robert Klatt
Das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien, etwa aus alten Elektroautos, ist bisher sehr teuer und umweltschädlich. Die Elektroden-zu-Elektroden-Regeneration (DEER) kann die Kosten und die Umweltauswirkungen deutlich reduzieren.
Ithaca (U.S.A.). In Elektroautos werden hauptsächlich Lithium-Ionen-Batterien verbaut. Diese enthalten unterschiedliche wertvolle Materialien, darunter neben Lithium auch Nickel und Kobalt. Obwohl viele Staaten, darunter die U.S.A. und Deutschland, nur über knappe Ressourcen verfügen und diese Rohstoffe importieren müssen, werden bisher nur wenige Lithium-Ionen-Akkus am Ende ihrer Lebensdauer recycelt. Laut Kalra, Professorin für Chemieingenieurwesen an der Cornell University, liegt dies vor allem an den komplexen Recyclingverfahren.
Lithium-Ionen-Batterien werden entweder bei sehr hohen Temperaturen eingeschmolzen. Bei der sogenannten Pyrometallurgie entsteht eine Legierung, aus der die Rohstoffe zurückgewonnen werden können. Alternativ werden die Batterien zerdrückt und geschreddert. Dabei entsteht eine pulverartige schwarze Masse, aus der anschließend mithilfe aggressiver Säure die wertvollen Metalle zurückgewonnen werden.
Effizientes Recyclingverfahren für Lithium-Ionen-Batterien
Die Wissenschaft arbeitet in Anbetracht der kontinuierlich zunehmenden Elektroautozulassung intensiv an effizienteren Recyclingverfahren für Lithium-Ionen-Batterien. Diese sollen den anfallenden Abfall reduzieren und die Importabhängigkeit senken.
„Als diese Lithium-Ionen-Batterien aufkamen, dachte niemand darüber nach, dass diese Mineralien in der Erdkruste begrenzt sind und man sie nicht für immer herstellen kann. In den letzten Jahren erkennen die Menschen, dass man nicht einfach immer weiter Batterien herstellen kann, weil man nicht genug Material hat. Und es gibt natürlich viele geopolitische Verwundbarkeiten, weil insbesondere die USA nicht über viele Reserven verfügen.“
Forscher der Cornell University haben nun die sogenannte Elektroden-zu-Elektroden-Regeneration (DEER) vorgestellt. Es handelt sich dabei um ein neues Verfahren, bei dem bei einzelnen Elektroden eine alte Lithium-Ionen-Batterie im intakten Zustand ausgebaut wird, während sie mit dem Stromableiter verbunden ist. Die Elektrode wird dann in eine elektrochemische Lösung (1,3-Dimethyl-2-imidazolidinon) gegeben, die die Elektrolyt-Grenzschicht entfernt. Die Elektrolyt-Grenzschicht ist eine dicke isolierende Schicht, die durch die Lade- und Entladezyklen zwischen der Kathode und der Anode entsteht und die Kapazität der Batterie reduziert.
„Wir reparieren sie so, wie sie sind, ohne sie zu schreddern oder zu Pulver zu verarbeiten, und setzen sie dann wieder in eine neue Batterie ein. Die Auflösung ist im Grunde das, was der Batterie hilft, ihre Kapazität zurückzugewinnen. Sie zeigt eine Rückgewinnung von 95 %. Also verkürzen wir den Kreislauf enorm.“
Eine technoökonomische Analyse zeigt, dass das neue Verfahren die Kosten für die Herstellung recycelter Batteriezellen stark reduzieren kann (- 56 %). Die Umweltauswirkungen, vor allem der Wasserbrauch und die Emissionen von Luftschadstoffen, sind zudem deutlich geringer als bei pyro- und hydrobasierten Recyclingverfahren.
In Anbetracht der positiven Ergebnisse möchten die Forscher nun mit der Elektroden-zu-Elektroden-Regeneration Industriebatterien behandeln, die typischerweise einen deutlich schlechteren Zustand als Batterien aus Elektroautos haben.
„Derzeit haben die verbrauchten Batterien, die wir behandeln, einen Gesundheitszustand von 70-80 %, was typisch für Anwendungen in Elektrofahrzeugen ist.Wir können dieses Fenster also erweitern, wenn wir einige dieser anderen Degradationsmechanismen angehen können.“
Quellen:
Studie im Fachmagazin Energy and Environmental Science, doi: 10.1039/D6EE01118G