Bahnbrechende Forschung macht Batterierecycling wirtschaftlicher

Wie gestalten wir das Batterierecycling kosteneffektiv? Wissenschaftler des ReCell Centers sind diesem Ziel einen weiteren Schritt nähergekommen.

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Von Jake Malooley

Lithium-Ionen-Batterien sind die Motoren unserer technologischen Gegenwart und Zukunft. Sie versorgen tragbare Elektronikgeräte wie Smartphones und Laptops sowie Elektrofahrzeuge (EVs), die sich immer größerer Beliebtheit erfreuen, mit Strom. Doch der zunehmende Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere in Automobilen, hat die Technologie zu deren Recycling überholt. Jetzt haben Wissenschaftler am ReCell Center – dem landesweit ersten Forschungs- und Entwicklungszentrum für fortschrittliches Batterierecycling mit Sitz im Argonne National Laboratory des Energieministeriums (DOE) – eine entscheidende Entdeckung gemacht, die eine der größten Hürden beseitigt, die der Herstellung im Wege stehen Recycling von Lithium-Ionen-Batterien wirtschaftlich sinnvoll.

Die heute eingesetzten Recyclingverfahren ermöglichen die Rückgewinnung von Metallen in Formen, die für Batteriehersteller von geringem Wert sind. Am Horizont zeichnet sich ein enormes Problem ab: Forscher gehen davon aus, dass in weniger als einem Jahrzehnt jedes Jahr zwei Millionen Tonnen ausgedienter Lithium-Ionen-Batterien aus Elektrofahrzeugen ausgemustert werden. Die Zahl der Altbatterien für Elektrofahrzeuge ist derzeit gering, wird aber deutlich ansteigen, da ältere Fahrzeugmodelle das Ende ihrer Nutzungsdauer erreichen – und die derzeitige Recycling-Infrastruktur für den Zustrom nicht bereit ist.

„Wenn die Batterieindustrie recyceltes Kathodenmaterial kauft, um es in neuen Batterien wiederzuverwenden, wird sie nicht auf Reinheit verzichten.“ — Jessica Durham, Materialwissenschaftlerin bei Argonne und Mitautorin der Studie

Forscher der Michigan Technological University (MTU), Teil des ReCell-Teams, haben ein innovatives Verfahren zur Trennung der wertvollen Materialien entwickelt, aus denen die Kathode, die positiv geladene Elektrode einer Batterie, besteht.

Wissenschaftler der Materials Engineering Research Facility in Argonne skalieren das innovative Trennverfahren der MTU und ebnen so den Weg für das groß angelegte Recycling von Elektrofahrzeugbatterien. Da die Kathodenmaterialien von Elektrofahrzeugbatterien je nach Autohersteller und Produktionsjahr variieren, muss ein Recycler eine Mischung aus Lithiummetalloxiden verwenden – Lithiumkobaltoxid, Lithium-Nickel-Mangan-Kobaltoxid, Lithium-Nickel-Kobalt-Aluminiumoxid, Lithiumeisenphosphat usw. – und trennen Sie sie jeweils, damit diese Materialien wiederverwendet werden können. Diese einst unmögliche Aufgabe scheint plötzlich machbar.

Durch direktes Recycling und die Wiederverwendung von Batteriekathodenmaterialien wird der Kreislauf geschlossen. (Bild von ReCell Center.)

In einem neuen Artikel, der in der Fachzeitschrift Energy Technology veröffentlicht wurde, beschreiben MTU- und ReCell-Forscher ihre Entdeckung: eine Methode zur Trennung einzelner Kathodenmaterialien mithilfe einer neuen Variante eines alten Prozesses namens Schaumflotation.

Die Schaumflotation wird seit vielen Jahren in der Bergbauindustrie zur Trennung und Reinigung von Erzen eingesetzt und trennt Materialien in einem Flotationstank danach, ob sie Wasser abstoßen und schwimmen oder Wasser absorbieren und sinken. Im Allgemeinen sinken Kathodenmaterialien, wodurch es schwierig wird, sie voneinander zu trennen. Das gilt für Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid (NMC111) und Lithium-Mangan-Oxid (LMO), zwei gängige Kathodenmaterialien für Elektrofahrzeugbatterien, die das ReCell-Team in seinen Experimenten verwendet hat. Die Forscher fanden heraus, dass eine Trennung erreicht werden kann, indem man eines der Kathodenmaterialien, NMC111, durch die Einführung einer Chemikalie zum Schweben bringt, die das Zielmaterial wasserabweisend macht.

Nach der Trennung der Kathodenmaterialien stellten die Forscher durch Tests fest, dass der Prozess einen vernachlässigbaren Einfluss auf die elektrochemische Leistung der Materialien hatte. Beide wiesen außerdem einen hohen Reinheitsgrad auf (95 Prozent oder mehr).

„Das ist sehr wichtig“, sagt Jessica Durham, Materialwissenschaftlerin bei Argonne und Mitautorin der Studie, „denn wenn die Batterieindustrie recyceltes Kathodenmaterial kauft, um es in neuen Batterien wiederzuverwenden, wird sie nicht auf Reinheit verzichten.“ ."

Die Forschung knüpft an die Mission des ReCell Centers an, weniger energieintensive Verarbeitungsmethoden voranzutreiben und wertvolle Materialien für das direkte Recycling zu gewinnen – die Rückgewinnung, Regeneration und Wiederverwendung von Batteriekomponenten direkt, ohne die chemische Struktur aufzubrechen. Das Zentrum ist eine Zusammenarbeit zwischen Argonne, dem National Renewable Energy Laboratory des DOE und dem Oak Ridge National Laboratory, der Michigan Technological University, der University of California in San Diego und dem Worcester Polytechnic Institute.

Die Entdeckung von ReCell verspricht weitreichende Auswirkungen, wie etwa die Reduzierung der Kosten für das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien; Förderung des Wachstums eines profitablen Recyclingmarktes für ausgediente Lithium-Ionen-Batterien; Senkung der Kosten für Elektrofahrzeuge sowohl für Hersteller als auch für Verbraucher; Ermöglichung der Wettbewerbsfähigkeit der Vereinigten Staaten in der globalen Batterierecyclingindustrie; Stärkung der Energieunabhängigkeit der USA durch verstärkte Nutzung inländischer Quellen für recycelte Batteriematerialien; und Verringerung der Abhängigkeit der USA von ausländischen Materialquellen.

Doch vorerst konzentriert sich das Team des ReCell Center voll und ganz darauf, Schritt für Schritt einen vollständigen Recyclingprozess für Lithium-Ionen-Batterien zu schaffen, der wirtschaftlich sinnvoll ist. Nur dann wird es eine breite Akzeptanz finden.

„Welche Methode auch immer für dieses Recycling verwendet wird, der Recycler muss in der Lage sein, davon zu profitieren“, sagt Durham. ​„Wir führen die einzelnen Schritte in dem Wissen zusammen, dass der Gesamtprozess am Ende profitabel sein muss.“

Weitere Co-Autoren der Studie bei Argonne sind Albert Lipson, leitender Materialwissenschaftler, und Haruka Pinegar, Postdoktorandin.

Diese Forschung und das ReCell Center werden vom Office of Energy Efficiency and Renewable Energy des DOE, Vehicle Technologies Office, finanziert.

Die Mission von EERE besteht darin, die Forschung, Entwicklung, Demonstration und den Einsatz von Technologien und Lösungen zu beschleunigen, um Amerika auf gerechte Weise bis spätestens 2050 wirtschaftsweit auf Netto-Null-Treibhausgasemissionen umzustellen und sicherzustellen, dass die saubere Energiewirtschaft allen Amerikanern zugute kommt und Gutes schafft Bezahlung von Arbeitsplätzen für das amerikanische Volk – insbesondere für Arbeitnehmer und Gemeinden, die von der Energiewende betroffen sind, und für diejenigen, die in der Vergangenheit vom Energiesystem unterversorgt und durch Umweltverschmutzung überlastet waren.

Bilder mit freundlicher Genehmigung des Argonne National Laboratory.

Artikel mit freundlicher Genehmigung des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE).

Die Mission des US-Energieministeriums besteht darin, Amerikas Sicherheit und Wohlstand zu gewährleisten, indem es seine energie-, umwelt- und nuklearen Herausforderungen durch transformative wissenschaftliche und technologische Lösungen angeht. Erfahren Sie mehr.

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