Recycelte Lithiumbatterien können besser sein als neue Batterien

Ein neues Recyclingverfahren für Lithiumbatterien würde dazu beitragen, die ständig steigende Nachfrage zu decken.

Lithium-Ionen-Batterien bilden die Grundlage fast aller Elektrofahrzeuge, Laptops und Smartphones und sind für die Speicherung erneuerbarer Energien angesichts des Klimawandels unerlässlich. Alle derzeitigen Bergbaubetriebe der Welt sind jedoch nicht in der Lage, genügend Lithium und andere wichtige Mineralien zu fördern, um die rasant steigende Nachfrage nach diesen Batterien zu decken. Die Erschließung neuer Minen ist eine teure und langwierige Angelegenheit. Darüber hinaus verursacht der Bergbau eine Reihe von Umweltproblemen - wie die Erschöpfung lokaler Wasserressourcen und die Verschmutzung der umliegenden Region durch abfließendes Geröll -, die zu Protesten gegen neue Minen geführt haben.

All dies bedeutet, dass die Möglichkeit, vorhandene Batterien zu recyceln, für einen nachhaltigen Wandel des globalen Energiesystems von entscheidender Bedeutung ist. Doch das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien ist erst seit kurzem auf dem Markt. Die Batteriehersteller haben gezögert, weil sie befürchteten, dass recycelte Produkte von geringerer Qualität sein könnten als solche, die aus neu abgebauten Mineralien hergestellt werden, was zu einer kürzeren Lebensdauer der Batterie oder zu Schäden an ihren inneren Teilen führen könnte. Dies könnte schwerwiegende Folgen haben, insbesondere bei einer Anwendung wie Elektrofahrzeugen.

Recyclingverfahren für Lithium aus Altbatterien

Neue Forschungsergebnisse, die in der Fachzeitschrift Joule veröffentlicht wurden, haben jedoch eine elegantere Recyclingmethode entwickelt, bei der die Kathode, der sorgfältig bearbeitete Kristall, der das teuerste Bauteil der Lithium-Ionen-Batterie und der Schlüssel zur Bereitstellung der richtigen Spannung ist, aufgearbeitet wird. Die Forscher fanden heraus, dass Batterien, die mit der neuen Kathodenrecyclingtechnik hergestellt wurden, genauso gut funktionieren wie solche mit einer von Grund auf neu hergestellten Kathode. Batterien mit einer recycelten Kathode halten sogar länger und lassen sich schneller aufladen. Der Ansatz des Teams und der nachgewiesene Erfolg sind "wirklich einzigartig und beeindruckend", sagt Kang Xu, ein Elektrochemiker am U.S. Army Research Laboratory, der nicht an der Studie beteiligt war.

Yan Wang, Professor für Materialwissenschaften am Worcester Polytechnic Institute und Mitautor der neuen Studie, begann vor 11 Jahren mit der Erforschung des Batterierecyclings. Damals, sagt er, "scherzten einige Leute mit mir: 'Es gibt nicht genug Batterien zum Recyceln'". Dieser Scherz hat sich nicht bewahrheitet. Das Energieministerium schätzt, dass der Batteriemarkt in den nächsten zehn Jahren um das Zehnfache wachsen könnte. Um die Wachstumsschmerzen des Marktes zu lindern, ist das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien - also die Rückführung des Materials in die Lieferkette - von entscheidender Bedeutung", sagt Dave Howell, Direktor des DOE's Vehicle Technologies Office. Das DOE finanzierte die neue Forschung als Teil seiner massiven Bemühungen, groß angelegte Innovationen im Batterierecycling in den USA zu fördern.

Wie die Lithiumbatterie funktioniert

Wenn eine Lithium-Ionen-Batterie Energie liefert, bewegt sich eine Gruppe von Lithium-Ionen von einem kristallinen "Käfig" (der Anode) zu einem anderen (der Kathode). Die derzeit gängigsten Methoden zum Recycling dieser Batterien bestehen darin, die gesamte Batterie zu zerlegen und zu zerkleinern und sie dann einzuschmelzen oder in Säure aufzulösen. Das Ergebnis ist eine schwarze Masse - mit einer Konsistenz, die von Staub bis hin zu Brei reichen kann -, aus der chemische Elemente oder einfache Verbindungen zurückgewonnen werden können. Diese zurückgewonnenen Produkte können dann demselben kommerziellen Produktionsprozess unterzogen werden, der für neu gewonnene Elemente zur Gewinnung von Kathoden angewandt wird.

Wang und seine Kollegen verwenden ein sehr ähnliches Verfahren, doch anstatt die Batterie vollständig in ihre chemischen Bestandteile zu zerlegen, bleibt bei ihrer Technik ein Teil der entscheidenden Zusammensetzung der alten Kathode intakt. Nach der Zerlegung der Batterie werden die weniger teuren Teile (wie die elektronischen Schaltkreise und das Stahlgehäuse der Batterie) physisch entfernt und separat recycelt. Übrig bleibt vor allem das Kathodenmaterial, das in Säure aufgelöst und dann von Verunreinigungen befreit wird. Anschließend wird vorsichtig eine Prise frischer Kathodenelemente wie Nickel und Kobalt hinzugefügt, um sicherzustellen, dass das Verhältnis der Bestandteile stimmt - ein weiterer Unterschied zu herkömmlichen Recyclingmethoden. Nach einigen weiteren Schritten ist das Ergebnis ein effektiv aufgefrischtes Kathodenpulver, das aus winzigen kristallinen Partikeln besteht, die auf einen Metallstreifen geklebt und in eine "neue" Batterie eingesetzt werden können.

Da die Kathode aus einer präzisen Mischung wertvoller Mineralien hergestellt wird, um die spezifische Spannung der Batterie zu erreichen, können geringfügige Änderungen ihrer Struktur oder Zusammensetzung ihre Leistung beeinträchtigen. Daher liegt ein Großteil des Wertes des Kathodenpulvers "in der Art und Weise, wie die [Pulver-]Partikel überhaupt entworfen wurden", sagt Emma Kendrick, Professorin für Energiematerialien an der britischen Universität Birmingham, die nicht an der neuen Studie beteiligt war. Dieser Wert geht verloren, wenn die gesamte Batterie in einem Zug geschmolzen oder aufgelöst wird, wie es bei den derzeitigen Recyclingmethoden der Fall ist.

Wangs Forschung zum Recycling von Lithium

Wang und seine Kollegen verglichen die Partikel ihres recycelten Kathodenpulvers mit denen von kommerziell hergestelltem Kathodenpulver (meist aus neu abgebauten Erzen). Sie stellten fest, dass die Partikel des recycelten Pulvers poröser waren und besonders große Hohlräume in der Mitte aufwiesen. Diese Eigenschaften ermöglichen es dem Kristall der Kathode, leicht zu quellen, wenn Lithiumionen in ihn eindringen, und dieser Spielraum verhindert, dass der Kristall so leicht reißt wie bei neu hergestellten Kathoden. Solche Risse sind eine der Hauptursachen für die Degradation von Batterien im Laufe der Zeit.

Mehr Poren bedeuten auch eine größere freiliegende Oberfläche, auf der die für das Aufladen der Batterie erforderlichen chemischen Reaktionen ablaufen können - deshalb laden sich Wangs recycelte Batterien schneller auf als ihre kommerziell hergestellten Gegenstücke. Ein Ziel für die Zukunft könnte es sein, alle Kathoden mit dieser überlegenen Struktur zu entwickeln, und nicht nur die aus recyceltem Material, sagt Wang.

Die neuesten Ergebnisse zeigen, dass "die Kathode, die sie herstellen können, genauso gut oder sogar besser ist als das kommerzielle Material, das wir importiert haben", sagt Linda Gaines, eine Transportanalytikerin am Argonne National Laboratory und leitende Wissenschaftlerin am ReCell Center, einer Organisation, die das Batterierecycling untersucht und fördert. (Diese Importe kommen größtenteils aus China, das beim Batterierecycling weltweit führend ist. Das bedeutet jedoch, dass die Materialien von einem Teil der Welt in einen anderen transportiert werden müssen, um recycelt zu werden, was den Kohlenstoff-Fußabdruck der recycelten Batterien erhöht und ihre Attraktivität als nachhaltigerer Weg mindert. Der von Wangs Team entwickelte Ansatz macht einen großen Teil des internationalen Handels und der Transportanforderungen überflüssig und eröffnet anderen Ländern die Möglichkeit, das Batterierecycling im eigenen Land zu stärken. Das Verfahren wird derzeit von Ascend Elements, ehemals Battery Resourcers, einem von Wang mitbegründeten Recyclingunternehmen, ausgebaut.