Lithiumsättigung, um alte Batterien zu neuen zu machen

Da Energiespeichertechnologie eine immer wichtigere Rolle in unserem täglichen Leben spielt, die mit der Einführung von Elektrofahrzeugen noch dramatisch zunehmen wird, sind die Verfügbarkeit der Materialien zur Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien, ihre sichere Entsorgung und Recyclingstrategien immer wichtigere Anliegen.

Obwohl Europa und andere Regionen damit beginnen, Gesetze einzuführen, die die Verwendung von recycelten Materialien in der Batterieproduktion vorschreiben, bleibt die wirtschaftliche Gewinnung dieser Materialien eine große Herausforderung für Recycler – die Trennung und Reinigung der Materialien bis zu dem Punkt, an dem sie wiederverwendet werden können, erfordert mehrere teure und energieintensive Prozesse.

Wissenschaftler unter der Leitung der finnischen Aalto-Universität untersuchten zunächst die Alterungsmechanismen von Lithiumkobaltoxid, das häufig in Produkten der Unterhaltungselektronik verwendet wird, und machten eine Beobachtung, die sie dazu veranlasste, neue Methoden zu untersuchen, um deren Lebensdauer zu verlängern oder die Wiederverwendung von Komponenten ohne den komplexen Prozess der Zerlegung in Rohmaterialien zu ermöglichen. „Wir haben festgestellt, dass eine der Hauptursachen für die Verschlechterung der Batterie die Erschöpfung des Lithiums im Elektrodenmaterial ist“, erklärte Tanja Kallio, Professorin an der Aalto-Universität. „Dennoch können die Strukturen relativ stabil bleiben, daher wollten wir prüfen, ob sie wiederverwendet werden können.“

Die Gruppe entwickelte einen Elektrolyseprozess, um das Lithium in Batterieelektroden wieder aufzufüllen, und verglich anschließend die Leistung der so behandelten Elektroden mit solchen aus brandneuen Materialien. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift ChemSusChem in einem Artikel mit dem Titel „Die Wiederverwendung von LiCoO2-Elektroden, die aus verbrauchten Li-Ionen-Batterien nach der elektrochemischen Neulithiierung der Elektrode gesammelt wurden“ veröffentlicht.

Die Gruppe stellte fest, dass der erneute Lithiierungsprozess dazu diente, die ursprüngliche Elektrodenstruktur wiederherzustellen, und zeigte, dass die Kapazität, die Ladegeschwindigkeit und die Zyklenfähigkeit nur geringfügig hinter den brandneuen Batterien zurückblieben. Die Gruppe wies weiter darauf hin, dass vergleichbare Elektrolyseverfahren bereits in verschiedenen Branchen eingesetzt werden und dass ihr Ansatz auch im industriellen Maßstab erforscht werden sollte.

„Durch die Wiederverwendung der Batteriestrukturen können wir einen Großteil der beim Recycling üblichen Arbeit vermeiden und gleichzeitig möglicherweise Energie sparen“, sagt Kallio. „Wir glauben, dass die Methode Unternehmen helfen könnte, die industrielles Recycling entwickeln.“

Das nächste Ziel der Gruppe an der Aalto-Universität besteht vorerst darin, ihren Prozess für die Verwendung mit anderen Batteriechemien zu testen und zu optimieren, insbesondere mit den nickelreichen Kathodendesigns, die in den letzten Jahren in die Großserienproduktion übergegangen sind, vor allem als Batterien für Elektrofahrzeuge.