University of California San Diego Verbrauchte Li-Ion-Kathoden werden wieder wie neu

Erstautorin Yang Shi und Professor Zheng Chen von der UC San Diego entwickelten eine Methode zum Recycling und zur Regeneration von Kathoden verbrauchter Lithium-Ionen-Batterien.
Erstautorin Yang Shi und Professor Zheng Chen von der UC San Diego entwickelten eine Methode zum Recycling und zur Regeneration von Kathoden verbrauchter Lithium-Ionen-Batterien.

Weniger als fünf Prozent der Li-Ion-Akkus werden heute recycelt – ein großes Umweltproblem. Forscher der University of California San Diego haben ein energieeffizientes Recyclingverfahren für verbrauchte Kathoden aus Li-Ion-Akkus entwickelt. Daraus hergestellte Akkus sind genauso gut wie neue.

Wenn ein Lithium-Ionen-Akku verschleißt, verliert das Kathodenmaterial einen Teil seiner Lithiumatome. Die atomare Struktur der Kathode verändert sich auch so, dass sie weniger Ionen hinein- und herausbewegen kann. »Denken Sie an die Millionen von Tonnen Lithium-Ionen-Batterieabfall in der Zukunft, vor allem mit dem Aufkommen der Elektromobilität, und der Erschöpfung wertvoller Ressourcen wie Lithium und Kobalt«, mahnt Zheng Chen, Professor für Nanoengineering an der University of California San Diego. Er fügt hinzu: »Der Abbau dieser Ressourcen wird unser Wasser und unseren Boden verunreinigen. Wenn wir Materialien aus alten Akkus nachhaltig gewinnen und wiederverwenden können, können wir möglicherweise solche erheblichen Umweltschäden und Abfälle vermeiden.«

Mit der neuen Recyclingmethode, die kürzlich in Green Chemistry veröffentlicht wurde, lässt sich Lithium-Kobaltoxid aus verbrauchten Kathoden zurückgewinnen und neu formieren. Lithium-Kobaltoxid ist in Smartphones und Laptops weit verbreitet. Aber dieses Verfahren funktioniert auch bei NMC, einer beliebten Lithiumkathode, die Nickel, Mangan und Kobalt enthält und in den meisten Elektrofahrzeugen verwendet wird.

Dafür werden zunächst Kathodenteilchen aus verbrauchten Lithium-Ionen-Akkus gesammelt. Anschließend kippen die Forscher diese Partikel in eine heiße alkalische Lösung, die Lithiumsalz enthält, und setzen das ganze unter Druck. Diese Lösung kann hinterher recycelt und wiederverwendet werden, um mehr Chargen zu verarbeiten. Danach durchlaufen die Partikel einen kurzen Glühprozess, bei dem sie auf +800 °C erhitzt und dann sehr langsam abgekühlt werden.

Aus den regenerierten Partikeln stellten die Forscher dann neue Kathoden her, bauten daraus Akkus und testeten diese dann im Labor. Die neuen Kathoden zeigten die gleiche Energiespeicherkapazität, Ladezeit und Lebensdauer wie die ursprünglichen.

Eine interessante Sache über diesen Prozess, so Chen, sei, dass es im Wesentlichen der gleiche sei, um die ursprünglichen Kathodenpartikel herzustellen. Der Recyclingprozess stellt sowohl die ursprüngliche Lithiumkonzentration als auch die ursprüngliche Atomstruktur der Kathode wieder her. Insgesamt sind 5,9 MJ Energie (¾ Tasse Benzin) nötig, um 1 kg Kathodenmaterials wiederherzustellen. Mehrere andere Recyclingverfahren benötigen mindestens die doppelte Energie.

Ziel ist es, diesen Prozess für industrielle Maßstäbe zu optimieren. Ein besonderer Bereich der Verbesserung ist das Ernten des Kathodenmaterials. Bis jetzt müssen die Forscher die Partikel manuell aus dem Rest der Batterie heraussuchen. Sie arbeiten daran, diesen Schritt zu vereinfachen, sodass der gesamte Prozess industriell machbar ist.

Chens Team verfeinert diesen Prozess, sodass sich neben Lithium-Kobaltoxid und Lithium-NMC auch alle anderen Arten von Li-Ion-Kathodenmaterial recyceln lassen. Zudem arbeitet das Team an einem Prozess, verbrauchte Anoden zu recyceln.

Originalpublikation:

Yang Shi, Gen Chenb, and Zheng Chen, Effective regeneration of LiCoO2 from spent lithium-ion batteries: a direct approach towards high-performance active particles.