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Lithium-Ionen-Altbatterien aus Mobiltelefonen, Laptops und einer wachsenden Zahl von Elektrofahrzeugen häufen sich, doch Recyclingmöglichkeiten beschränken sich nach wie vor weitgehend auf die Verbrennung oder chemische Auflösung der defekten Batterien. Aktuelle Verfahren können Umweltprobleme verursachen und sind im industriellen Maßstab nur schwer wirtschaftlich umsetzbar.
Herkömmliche Verfahren recyceln einige Batteriematerialien und verwenden dabei ätzende Laugen, anorganische Säuren und gefährliche Chemikalien, die Verunreinigungen einbringen können. Die Gewinnung kritischer Metalle erfordert zudem komplexe Trennungs- und Fällungsprozesse. Das Recycling von Metallen wie Kobalt und Lithium kann jedoch die Umweltverschmutzung, die Abhängigkeit von ausländischen Quellen und die Verstopfung von Lieferketten reduzieren.
Forscher des Oak Ridge National Laboratory des US-Energieministeriums haben eine Methode zum Auflösen von Batterien in einer Flüssigkeit perfektioniert, um den Einsatz gefährlicher Chemikalien zu reduzieren. Ihre Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Energy Storage Materials veröffentlicht.
Die von den ORNL-Forschern entwickelte einfache, wirksame und umweltfreundliche Lösung überwindet die größten Hindernisse, die bei früheren Methoden auftraten.
Gebrauchte Batterien werden in einer Lösung aus organischer Zitronensäure (natürlich in Zitrusfrüchten enthalten) und Ethylenglykol, einem Frostschutzmittel, das häufig in Konsumgütern wie Farben und Kosmetika verwendet wird, eingeweicht. Zitronensäure stammt aus nachhaltigen Quellen und ist sicherer zu handhaben als anorganische Säuren. Diese umweltfreundliche Lösung ermöglicht ein äußerst effizientes Verfahren zur Trennung und zum Recycling von Metallen in der positiv geladenen Elektrode der Batterie, der sogenannten Kathode.
„Da die Kathode kritische Materialien enthält, ist sie mit über 30 Prozent der teuerste Teil jeder Batterie“, sagte Yaokai Bai, Mitglied der Batterieforschungsgruppe des ORNL. „Unser Ansatz könnte die Batteriekosten langfristig senken.“ Die Studie wurde in der Batterieproduktionsanlage des Oak Ridge National Laboratory durchgeführt, der größten Freiluft-Forschungs- und Entwicklungseinrichtung für Batterien in den USA.
Die dort entwickelte Verarbeitungstechnologie ermöglicht die Extraktion von nahezu 100 % Kobalt und Lithium aus der Kathode, ohne dass Verunreinigungen in das System gelangen. Sie ist zudem in der Lage, Metalllösungen effektiv von anderen Rückständen zu trennen. Das Beste daran: Ihre sekundäre Funktion besteht darin, innerhalb weniger Stunden über 96 % des Kobalts zurückzugewinnen, ohne dass zusätzliche Chemikalien hinzugefügt werden müssen. Dies erfordert oft einen komplexen manuellen Prozess zum Ausgleich des Säuregehalts.
„Dies ist das erste Mal, dass ein Lösungssystem die Funktionen der Auslaugung und Verarbeitung abdeckt“, sagte Forschungsleiter Lu Yu. „Es war interessant festzustellen, dass sich das Kobalt ohne weitere Störungen absetzte und absetzte. Das hatten wir nicht erwartet.“
Der Verzicht auf zusätzliche Chemikalien senkt die Kosten und vermeidet die Entstehung von Nebenprodukten oder Sekundärabfällen. „Wir freuen uns, dass dieses von unseren Wissenschaftlern entwickelte Recyclingverfahren den Weg für ein breiteres Recycling kritischer Batteriematerialien ebnen kann“, sagte Ilyas Belharouaq, Unternehmensforscher und Leiter der Abteilung Elektrifizierung am Oak Ridge National Laboratory.
Bai sagte, die Auslaugeigenschaften von Zitronensäure und Ethylenglykol seien bereits zuvor untersucht worden, doch bei dieser Methode seien mehr Säure und niedrigere Temperaturen erforderlich gewesen und sie sei weniger wirksam.
„Wir waren überrascht, wie schnell es aus der Lösung kam“, sagte Bai. „Bei organischen Säuren dauert es normalerweise 10 bis 12 Stunden, aber hier dauerte es nur eine Stunde.“ Herkömmliche Lösungen mit anorganischen Säuren sind zudem langsamer, da sie Wasser enthalten, dessen Siedepunkt die Reaktionstemperatur begrenzt.
Weitere Informationen: Lu Yu et al., Effiziente Trennung und Kopräzipitation für vereinfachtes Kathodenrecycling, Energy Storage Materials (2023). DOI: 10.1016/j.ensm.2023.103025
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