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Akkuzellen mit Recyclingmaterial halten doppelt so lange
Beim Recycling alter Lithium-Ionen-Akkus liegt der Schwerpunkt häufig auf den Materialien für den Pluspol. Ein neues Verfahren bereitet dagegen sowohl das Material für die positive als auch für die negative Elektrode wieder auf. Im Labortest erreichten daraus gefertigte Akkuzellen etwa die doppelte Lebensdauer von Vergleichszellen aus handelsüblichen Materialien.
Worcester (U.S.A.). Alte Lithium-Ionen-Batterien enthalten wertvolle Rohstoffe, die für den Bau neuer Energiespeicher erneut genutzt werden können. Bisher konzentrieren sich viele Recyclingverfahren auf die Metalle der positiven Elektrode, während die Rückgewinnung von hochwertigem Graphit für die negative Elektrode zusätzliche Verarbeitungsschritte erfordert. Besonders schwierig ist es, Material aus Batterien mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung gemeinsam aufzubereiten.
Für eine weitgehend geschlossene Materialkreislaufwirtschaft reicht es deshalb nicht, die enthaltenen Metalle lediglich zurückzugewinnen. Die gewonnenen Stoffe sollten auch die erforderliche Qualität besitzen, um daraus neue Batteriematerialien mit guten elektrochemischen Eigenschaften herzustellen. Dabei kommt es unter anderem darauf an, wie schnell Lithium-Ionen zwischen den Elektroden transportiert werden und wie stabil die Materialien über viele Ladezyklen bleiben.
Forscher des Worcester Polytechnic Institute (WPI) um Prof. Yan Wang haben nun ein Recyclingverfahren untersucht, das beide Elektrodenmaterialien gemeinsam aufwertet. Das Team wollte aus gemischtem Batterieabfall nicht nur neues Kathodenmaterial herstellen, sondern zugleich das enthaltene Graphit für den Einsatz in einer neuen Anode nutzbar machen. Anschließend prüften die Wissenschaftler die so gewonnenen Materialien in vollständigen Versuchszellen.
Für den Pluspol verwendeten die Forscher eine Mischung verbrauchter Kathodenmaterialien mit vergleichsweise geringem Nickelanteil. Durch chemische Aufbereitung und eine gezielte Anpassung der Zusammensetzung stellten sie daraus das Material NMC622 her, das Nickel, Mangan und Kobalt enthält. Die recycelten Kathoden zeigten in den Versuchen einen verbesserten Transport von Lithium-Ionen und eine höhere Stabilität bei wiederholtem Laden und Entladen.
Parallel dazu reinigte das Team das zurückgewonnene Graphit und veränderte dessen Oberfläche, um es erneut als Aktivmaterial für die negative Elektrode einzusetzen. Auch hier beobachteten die Forscher günstigere Vorgänge an der Grenzfläche zum Elektrolyten und eine verbesserte Haltbarkeit. Damit konnten beide zentralen Elektrodenmaterialien aus dem gemischten Abfallstrom aufgewertet werden.
Für den gemeinsamen Test bauten die Wissenschaftler flache, folienumhüllte Akkuzellen, sogenannte Pouch-Zellen. Sowohl die Kathode als auch die Anode enthielten dabei ausschließlich aufbereitete Aktivmaterialien aus alten Batterien. Nach 2.590 Lade- und Entladezyklen verfügten diese Zellen noch über 70 Prozent ihrer ursprünglichen Speicherkapazität.
In den Versuchen erreichten die Recyclingzellen damit ungefähr die doppelte Lebensdauer von entsprechend aufgebauten Zellen mit kommerziellen Elektrodenmaterialien. Die Autoren berichten außerdem von weniger unerwünschten Nebenreaktionen während des Betriebs. Die Messungen deuten darauf hin, dass die gezielte Aufbereitung nicht nur die Wiederverwendung ermöglicht, sondern die Eigenschaften der recycelten Materialien verbessern kann.
Zusätzlich bewertete das Team die Wirtschaftlichkeit und Umweltwirkungen des Verfahrens anhand technischer und ökologischer Modellrechnungen. Demnach ließen sich mehr als 95 Prozent der untersuchten Abfallmaterialien wieder verwerten. Gegenüber dem gewählten Referenz-Recyclingverfahren ergab die Analyse eine um 22,9 Prozent höhere Profitabilität, 27 Prozent weniger Treibhausgasemissionen und einen um 29,4 Prozent geringeren Energieverbrauch.
Diese Werte sind Ergebnisse der Modellrechnungen und keine im industriellen Dauerbetrieb gemessenen Einsparungen. Auch die läng