Eine der Schwierigkeiten beim Recycling besteht darin, dass die Kosten des Materials selbst gering und der Recyclingprozess nicht billig ist. Eine neue Technologie hofft, das Recycling von Lithiumbatterien durch weitere Kostensenkungen und die Verwendung umweltfreundlicher Inhaltsstoffe voranzutreiben.

Eine neue Aufbereitungstechnik kann gebrauchtes Kathodenmaterial in seinen ursprünglichen Zustand zurückversetzen und so die Recyclingkosten weiter senken. Die von Nanoingenieuren an der University of California, San Diego, entwickelte Technologie ist umweltfreundlicher als derzeit verwendete Methoden. Es verwendet grünere Rohstoffe, reduziert den Energieverbrauch um 80 bis 90 Prozent und reduziert die Treibhausgasemissionen um 75 Prozent.

Die Forscher beschreiben ihre Arbeit in einem Artikel, der am 12. November in Joule veröffentlicht wurde.

Besonders geeignet ist diese Technik für Kathoden aus Lithium-Eisen-Phosphat (LFP). LFP-Kathodenbatterien sind billiger als andere Lithiumbatterien, da sie keine Edelmetalle wie Kobalt oder Nickel verwenden. LFP-Batterien sind außerdem langlebiger und sicherer. Sie werden häufig in Elektrowerkzeugen, Elektrobussen und Stromnetzen eingesetzt. Auch das Tesla Model 3 verwendet LFP-Batterien.

„In Anbetracht dieser Vorteile werden LFP-Batterien einen Wettbewerbsvorteil gegenüber anderen Lithiumbatterien auf dem Markt haben“, sagte Zheng Chen, Professor für Nanotechnik an der University of California, San Diego.

Gibt es ein Problem? „Es ist nicht wirtschaftlich, diese Batterien zu recyceln.“ „Es steht vor dem gleichen Dilemma wie Kunststoffe – das Material selbst ist billig, aber die Art und Weise, es zu recyceln, ist nicht billig“, sagte Chen.

Neue Recyclingtechnologien, die Chen und sein Team entwickelt haben, könnten diese Kosten senken. Die Technologie arbeitet bei niedrigen Temperaturen (60 bis 80 Grad Celsius) und Umgebungsdruck, verbraucht also weniger Strom als andere Verfahren. Außerdem sind die verwendeten Chemikalien wie Lithium, Stickstoff, Wasser und Zitronensäure billig und mild.

„Der gesamte Recyclingprozess wird unter sehr sicheren Bedingungen durchgeführt, sodass wir keine besonderen Sicherheitsmaßnahmen oder spezielle Ausrüstung benötigen“, sagte Pan Xu, Hauptautor der Studie und Postdoktorand in Chens Labor. Deshalb sind unsere Batterie-Recyclingkosten niedrig. ”

Zunächst recycelten die Forscher LFP-Batterien, bis sie die Hälfte ihrer Speicherkapazität verloren. Dann zerlegten sie die Batterie, sammelten ihr Kathodenpulver und tränkten es in einer Lösung aus Lithiumsalzen und Zitronensäure. Als nächstes wuschen sie die Lösung mit Wasser und ließen das Pulver trocknen, bevor sie es erhitzten.

Die Forscher verwendeten das Pulver zur Herstellung neuer Kathoden, die in Knopfzellen und Pouch-Zellen getestet wurden. Seine elektrochemische Leistung, chemische Zusammensetzung und Struktur werden vollständig in den ursprünglichen Zustand zurückversetzt.

Da die Batterie weiterhin recycelt wird, erfährt die Kathode zwei wichtige strukturelle Veränderungen, die ihre Leistung verringern. Der erste ist der Verlust von Lithiumionen, die Hohlräume in der Kathodenstruktur bilden. Zweitens trat eine weitere Strukturänderung auf, als die Eisen- und Lithiumionen in der Kristallstruktur ihre Plätze tauschten. Sobald dies passiert, können die Ionen nicht einfach zurückschalten, sodass die Lithium-Ionen stecken bleiben und nicht durch die Batterie zirkulieren können.

Das in dieser Studie vorgeschlagene Behandlungsverfahren füllt zunächst Lithium-Ionen nach, so dass Eisen-Ionen und Lithium-Ionen leicht wieder an ihre ursprünglichen Positionen geschaltet werden können, wodurch die Kathodenstruktur wiederhergestellt wird. Der zweite Schritt ist die Verwendung von Zitronensäure, die als Reduktionsmittel wirkt, um Elektronen an eine andere Substanz abzugeben. Es überträgt Elektronen auf die Eisenionen und reduziert deren positive Ladung. Dies minimiert die Elektronenabstoßung und verhindert, dass die Eisenionen an ihre ursprünglichen Positionen in der Kristallstruktur zurückkehren, während Lithiumionen wieder in den Kreislauf freigesetzt werden.

Während der Gesamtenergieverbrauch des Recyclingprozesses gering ist, sagen die Forscher, dass weitere Forschung zur Logistik des Sammelns, Transportierens und Entsorgens großer Mengen von Batterien erforderlich ist.

„Die nächste Herausforderung besteht darin, herauszufinden, wie diese logistischen Prozesse optimiert werden können.“ „Dies wird unsere Recyclingtechnologie der industriellen Anwendung einen Schritt näher bringen“, sagte Chen.