Robert Klatt
Lithium-Ionen-Akkus enthalten wertvolle Materialien, die bisher an ihrem Lebensende nur schwer recycelt werden können. Ein neues Verfahren kann mit Zitronensäure über 99 Prozent der Metalle aus den Batterien lösen, damit diese erneut verwendet werden können.
Peking (China). Lithium-Ionen-Akkus sind in vielen modernen Systemen, etwa Elektroautos, Laptops und Smartphones, verwendet. Am Ende ihrer Lebensdauer enthalten die Batterien noch wertvolle Rohstoffe, darunter Mangan, Cobalt und Lithium. Die Forschung arbeitet deshalb an Recyclingmethoden, mit denen die Metalle rückgewonnen werden können. Aktuelle Verfahren sind jedoch komplex, haben oft einen hohen Energiebedarf, nutzen umweltschädliche Chemikalien oder erzeugen lediglich regenerierte Materialien mit einer geringen Qualität.
Eines dieser Verfahren ist die Auslaugung der Metalle mit organischen Säuren wie Zitronensäure, die Metalle aus dem Elektroschritt lösen kann. Bisher ist dieser Prozess jedoch mehrstufig und erfordert einen Überschuss der natürlich in Zitrusfrüchten vorkommenden Carbonsäure.
Forscher der Chinesischen Universität für Bergbau und Technologie haben laut der Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V. (PDF) nun eine Methode entwickelt, die das Recycling von Lithium-Ionen-Akkus stark vereinfacht und umweltfreundlicher macht. Laut der Publikation im Fachmagazin Angewandte Chemie setzt die Recyclingmethode neben Zitronensäure keine anderen Chemikalien ein und kann über 99 Prozent der in den Batterien enthaltenen Metall auslaugen.
„Unsere Strategie stellt einen doppelten Durchbruch dar, denn sie vereinfacht den Prozess und macht ihn gleichzeitig umweltfreundlicher. Die Methode benötigt nur einen Schritt und der Energieverbrauch und die CO₂-Emissionen liegen bei nur 26 beziehungsweise 44 Prozent der herkömmlichen hydrometallurgischen Verfahren.“
Wie die chinesischen Wissenschaftler um Miaomiao Zhou erklären, erfordert das neue Verfahren nur eine geringe Menge an Zitronensäure. Dies führt dazu, dass lediglich zwei der Säuregruppen der Zitronensäure dissoziieren. Die in diesem Prozess freigesetzten Protonen zerstören die Lithium-Sauerstoff-Bindungen und befreien dadurch die Lithium-Ionen sowie das in den Akkus enthaltene Nickel, Cobalt und Mangan, die in die Lösung übergehen.
Anschließend reagiert die dritte Säuregruppe der Zitronensäure innerhalb ihres Moleküls mit der Hydroxyl-Gruppe. Es entsteht dadurch im Molekül eine ringförmige Verbindung und eine intramolekulare Veresterung, die in der Chemie als Fischer-Lactonisierung bezeichnet wird. Das Ergebnis dieser molekülinternen Reaktion ist ein Polyester, also eine Substanz aus langkettigen Molekülen, die aus vorher erzeugten Zwischenstufen besteht.
Am Ende der Reaktion entsteht es festes Gel, das die herausgelösten Metalle einschließt. Um die Metalle nutzen zu können, muss das Gel lediglich stark erhitzt werden, um seine organischen Bestandteile zu verbrennen. Es verleibt lediglich ein kristalliner Feststoff, aus dem neue Elektroden hergestellt werden können. Die Rückgewinnung von Lithium, Nickel, Cobalt und Mangan liegt bei über 99 Prozent.
„Das regenerierte monokristalline Schichtgitter hat eine einheitliche Partikelgrößen-Verteilung und vollständige Lamellenstruktur.“
Angewandte Chemie, doi: 10.1002/ange.202414484
