Forschende wollen alten Akkus neues Leben einhauchen
Die kritischen Mineralien, die Lithium-Ionen-Batterien antreiben, sind sehr gefragt und knapp, insbesondere in den USA, die zur Herstellung dieser Technologie auf den Import von Rohstoffen wie Nickel und Kobalt angewiesen sind.
Forscher der Cornell University haben nun eine effizientere und kostengünstigere Methode entwickelt, um diese Batterien nach ihrer Lebensdauer fast vollständig wiederverwertbar zu machen. Durch den Einsatz einer elektrochemischen Lösung zur Regenerierung der Elektroden können die recycelten Batterien bis zu 95 % ihrer ursprünglichen Leistung zurückgewinnen und halten bei der Wiederverwendung länger, wie die Forscher nachwiesen.
Das Verfahren könnte zudem die derzeitigen Recyclingkosten um 56 % senken und wäre umweltfreundlicher als aktuelle Methoden.
Die Ergebnisse wurden am 9. Juni in „Energy and Environmental Science“ veröffentlicht. Hauptautor der Studie ist der Postdoktorand Kiwon Kim.
Seit Jahrzehnten stützt sich die Batterieindustrie auf einen linearen „Take-Make-Dispose“-Ansatz, der damit endet, dass ausgediente Batterien auf Deponien vergraben werden, wo ihre Giftstoffe in die Umgebung austreten oder zu Bränden führen können, so Vibha Kalra, Ph.D. ’09, Fred H. Rhodes-Professorin für Chemieingenieurwesen am Cornell Duffield College of Engineering, die das Projekt leitete.
Doch auch die Belastung der Lieferkette muss berücksichtigt werden.
„Als diese Lithium-Ionen-Batterien auf den Markt kamen, dachte niemand darüber nach, dass diese Mineralien in der Erdkruste nur begrenzt vorkommen und man sie nicht unendlich lange herstellen kann“, sagte Kalra. „In den letzten Jahren wird den Menschen bewusst, dass man nicht einfach weiter Batterien herstellen kann, weil man nicht genug Material hat. Und es gibt offensichtlich viele geopolitische Schwachstellen, da insbesondere die USA nicht über große Reserven verfügen.“
Die herkömmliche Methode zum Recycling von Lithium-Ionen-Batterien, so erklärte sie, sei eine Art „Brute-Force“-Verfahren: Die Batterien werden entweder bei hohen Temperaturen eingeschmolzen – also mittels Pyrometallurgie –, wodurch eine Legierung und Schlacke entstehen, aus denen später wertvolle Metalle zurückgewonnen werden, oder sie werden zerkleinert und zu einer pulverförmigen schwarzen Masse zermahlen, die mittels Hydrometallurgie verarbeitet wird, bei der aggressive Säuren zum Einsatz kommen, um kritische Elemente zurückzugewinnen. Die Komponenten müssen dann vollständig neu synthetisiert und wiederhergestellt werden – ein kostspieliges und zeitaufwändiges Verfahren, das zu einer Verlängerung des „Kreislaufs“ führt, durch den recycelte Ressourcen im System verbleiben, anstatt auf Deponien zu landen. Und da den USA die Infrastruktur für die Gewinnung, Raffination und Synthese der Elektroden fehlt, können viele Schritte dieser langwierigen Kreislaufprozesse nicht im Inland durchgeführt werden.
Kalras Team entwickelte ein Verfahren namens „Direct Electrode-to-Electrode Regeneration“ (DEER), bei dem die einzelnen Elektroden einer verbrauchten Batterie in intaktem Zustand und noch am Stromkollektor befestigt entnommen und in eine separate Zelle gegeben werden, die eine elektrochemische Lösung enthält: 1,3-Dimethyl-2-imidazolidinon. Die Lösung löst die dicke Isolierschicht auf, die als feste Elektrolyt-Interphase bekannt ist und sich im Laufe der Zyklen der Batterie allmählich zwischen Kathode und Anode aufbaut, wodurch sich deren Kapazität mit der Zeit schrittweise verringert.
„Wir reparieren sie so, wie sie sind, ohne sie zu zerkleinern oder zu pulverisieren, und bauen sie dann wieder in eine neue Batterie ein“, sagte Kalra, der als Kathy Dwyer Marble und Curt Marble Faculty Director am Cornell Atkinson Center for Sustainability tätig ist, das die Forschung unterstützt hat. „Im Grunde ist es die Auflösung, die der Batterie hilft, ihre Kapazität wiederzuerlangen. Die Wiederherstellung liegt bei 95 %. Damit verkürzen wir den Kreislauf der Wiederverwertung enorm.“
Kalra und Kim arbeiteten mit Shuwen Yue zusammen, Assistenzprofessorin an der R.F. Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering und Mitautorin der Veröffentlichung, die ihnen half, die Solvatationsdynamik beim Auflösen der Grenzschicht besser zu verstehen. Anschließend führte das Team mithilfe von Open-Source-Software, die von ihren Forschungspartnern am ReCell Center des Argonne National Laboratory entwickelt wurde, techno-ökonomische und Umweltverträglichkeitsanalysen durch, um die potenziellen Auswirkungen von DEER zu ermitteln.
Die Analyse ergab, dass sich die Kosten für die Herstellung recycelter Zellen um 56 % senken ließen und dass im Vergleich zu pyro- und wasserbasierten Verfahren weniger schädliche Luftschadstoffe entstehen und der Wasserverbrauch reduziert würde.
Der nächste Schritt wird darin bestehen, DEER an Industriebatterien zu demonstrieren sowie andere Formen der Batteriealterung, wie beispielsweise den Lithiumverlust, ins Visier zu nehmen.
„Derzeit weisen die von uns behandelten Altbatterien einen Gesundheitszustand von 70–80 % auf, was für Elektrofahrzeuganwendungen typisch ist“, sagte Kalra. „Wir können dieses Fenster also erweitern, wenn es uns gelingt, einige dieser anderen Alterungsmechanismen anzugehen.“
Quelle
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