Könnte das Zerkleinern von Lithiumbatterien beim Recycling helfen?

Mithilfe mechanischer Kraft gewannen Forscher in kleinem Maßstab Lithium aus Batterien zurück

Das Zerkleinern alter Batterien könnte zu einer energiesparenden Möglichkeit führen, das darin verwendete Lithium und andere Metalle zu recyceln.

Lithium-Ionen-Batterien sind in all unseren persönlichen Geräten enthalten – etwa in Telefonen, Laptops und kabellosen Kopfhörern – und sie treiben Elektrofahrzeuge an. Ohne sie würde unser Leben ganz anders aussehen.

Das Lithium in wiederaufladbaren Batterien wird derzeit recycelt, indem man sie entweder auf hohe Temperaturen erhitzt oder sie mit konzentrierten Säuren und organischen Lösungsmitteln behandelt. Schätzungen darüber, wie viel Lithium recycelt wird, variieren, aber Berechnungen des Lithiumbatterieberaters Hans Eric Melin deuten darauf hin, dass vielleicht 15 % des Metalls in Batterien zurückgewonnen werden.

Oleksandr Dolotko, Materialwissenschaftler am Karlsruher Institut für Technologie, Deutschland, und seine Kollegen nutzten Mechanochemie – die Auslösung einer chemischen Reaktion durch mechanische Kraft beim Mahlen oder Mahlen –, um Lithium aus Lithium-Ionen-Batterien zurückzugewinnen.

Solche Batterien enthalten Lithiumverbindungen und andere Metalle wie Kobalt oder Nickel. Obwohl die Versorgung mit diesen Metallen nicht kritisch zur Neige geht, wird deren Recycling immer wichtiger, da batteriebetriebene Geräte im Zuge der Abkehr von der Energiegewinnung aus fossilen Brennstoffen immer häufiger eingesetzt werden. Die Europäische Union hat sich zum Ziel gesetzt, bis 2031 für alle Batterien eine Lithiumrückgewinnung von 80 % zu erreichen.

Dolotkos Team entwickelte zwei Extraktionsmethoden mit unterschiedlichem Erfolg. Sie nahmen zunächst das Kathodenmaterial einer Lithium-Kobaltoxid-Batterie und kombinierten es mit der gleichen Menge Aluminiumfolie. Echte Batterien enthalten Aluminium, das sie als „Stromkollektor“ nutzen, um den Elektronen den Abtransport aus der Batterie zu ermöglichen. Die Forscher vermischten die Verbindungen mit einer Mühle, einer sogenannten Kugelmühle. Nach 3 Stunden hatte das Aluminium mit dem Kathodenmaterial reagiert und eine Mischung aus unlöslichen Aluminiumoxiden sowie metallischem Kobalt und wasserlöslichen Lithiumoxiden erzeugt.

Eine als wasserbasierte Auslaugung und weitere Reinigung bekannte Trennmethode erzeugte die recycelte Lithiumverbindung: Lithiumcarbonat, die zur Herstellung weiterer Batterien verwendet werden kann.

Bei diesen Reaktionen wurden jedoch nur 30 % des Metalls zurückgewonnen. „Irgendwo gab es einen Lithiumverlust“, sagt Dolotko. Also optimierte Dolotkos Team ihr Experiment. Die zweite Version hatte weniger Schritte – sie erhitzten die Mischung, die aus der Kugelmühle kam, mit Wasser. Dies verhinderte die Bildung unlöslicher Lithiumaluminiumoxide, die das Lithium einschließen.

Das Team testete beide Prozesse mit unterschiedlichen Kathodenmaterialien, die in Batterien verwendet werden, sowie einer Mischung der Kathoden. Das verbesserte Verfahren gewann 75 % des Lithiums aus einer Mischung von Kathodenmaterialien zurück.

Mechanochemie wird in kommerziellen chemischen Prozessen normalerweise nicht eingesetzt, und wie genau mechanische Kraft chemische Reaktionen auslöst, ist nicht vollständig geklärt, sagt Dolotko. „Es ist wirklich schwer zu sagen, wie es passiert“, sagt er. Möglicherweise steigt die Temperatur an bestimmten Stellen im Prozess oder es entstehen durch Reibung Zwischenprodukte, schlägt er vor. Aber das Mahlen veranlasste das Aluminium, wie erwartet, als Reduktionsmittel zu wirken.

Bei diesem mechanochemischen Recyclingprozess handelt es sich um eine Demonstration im Maßstab eines kleinen Labors und als solche eher um einen Grundsatzbeweis als um eine bahnbrechende Technologie, sagt Melin, Direktorin von Circular Energy Storage, einem in London ansässigen Beratungsunternehmen mit Schwerpunkt auf Lithium -End-of-Life-Markt für Ionenbatterien. Er weist darauf hin, dass das Batterierecycling komplizierter ist als nur die Entwicklung einer neuen Technik und es auch um die Wirtschaftlichkeit der Rohstoffe und die Einführung von Technologien geht, die Batterien nutzen, wie etwa Elektrofahrzeuge.

„Wir sind in einer Situation, in der wir heute nicht wirklich wissen, woher das Lithium kommen wird, das wir im Jahr 2030 brauchen“, sagt Melin.

Dolotko sagt, dass es Möglichkeiten gibt, den Prozess zu verfeinern, und er arbeitet auch daran, gleichzeitig andere Metalle aus Batterien zu extrahieren, darunter Kobalt und Nickel.

Dieser Artikel wird mit Genehmigung reproduziert und erstmals am 29. März 2022 veröffentlicht.

Katharine Sandersonist ein freiberuflicher Journalist mit Sitz in Cornwall, Großbritannien.

Jordan Wilkerson

Melissa C. Lott

John Fialka und E&E News