In vielen modernen Geräten, darunter Smartphones, Laptops und Elektroautos, kommen Lithium-Ionen-Akkus zum Einsatz. Diese Akkus nehmen jedoch nach mehreren Ladezyklen an Leistungsfähigkeit ab und sind irgendwann auf Recycling angewiesen. Ein Forschungsteam hat nun eine methodische Innovation entwickelt, die potenziell den Recyclingprozess revolutioniert. Anstelle der herkömmlichen Praxis, alte Akkus vollständig zu zerlegen und die Rohstoffe zurückzugewinnen, konzentriert sich die neue Technik darauf, zentrale Komponenten direkt wiederzuverwenden. Dies könnte nicht nur die Kosten verringern, sondern auch den Energieverbrauch im Recycling erheblich reduzieren.
Hintergrund der neuen Wiederherstellungstechnik
Die neuartige Forschung wird von einem Team der Cornell University in den USA geleitet. Die Wissenschaftler haben einen Methodik entwickelt, die sie „Direct Electrode-to-Electrode Regeneration“ (DEER) nennen. Dieser Ansatz umfasst die direkte Regeneration von Elektrode zu Elektrode, wobei diese Elemente als entscheidende Bestandteile eines Akkus identifiziert werden, da sie die elektrischen Ladungen während des Lade- und Entladeprozesses transportieren. Das primäre Ziel der Forscher besteht darin, diese Elektroden zu bewahren und zu regenerieren, anstatt sie zu zerlegen.
Rohstoffverfügbarkeit und Recyclingproblematik
Ein bedeutender Aspekt der Untersuchung betrifft die langfristige Verfügbarkeit kritischer Rohstoffe. Vibha Kalra, die Projektleiterin und Professorin für Chemieingenieurwesen an der Cornell University, macht deutlich, dass die für Lithium-Ionen-Akkus erforderlichen Mineralien in der Erdkruste begrenzt sind. Der gegenwärtige Recyclingprozess wird von Kalra als „Akt brutaler Gewalt“ beschrieben, da alte Akkus häufig geschreddert oder eingeschmolzen werden. Während dieses Verfahrens werden Rohstoffe wie Lithium, Nickel und Kobalt zurückgewonnen, die anschließend erneut verarbeitet werden müssen, um neue Batterien herzustellen. Der DEER-Ansatz verfolgt hingegen das Ziel, diese Bauteile möglichst lange im Einsatz zu halten.
Ursachen für den Leistungsverlust von Akkus
Der Leistungsverlust von Lithium-Ionen-Akkus ist nicht nur auf den kompletten Abbau der Materialien zurückzuführen. Im Lauf der Zeit bilden sich Ablagerungen im Inneren der Batterie. Das Cornell-Team verweist auf die „Solid Electrolyte Interphase“ (SEI), eine dünne Schicht, die sich auf den Elektroden bildet, während der Nutzung. Während eine geringe Menge dieser Schicht normal und nötig ist, verdickt sie sich im Laufe der Zeit und stört die chemischen Prozesse des Akkus. Dies resultiert in einer verminderten Kapazität und verkürzt die Lebensdauer.
Der Prozess der Regeneration
Zur Beseitigung dieser Ablagerungen entnehmen die Forscher die Elektroden aus verbrauchten Batterien und tauchen sie in eine spezielle chemische Lösung, die 1,3-Dimethyl-2-Imidazolidinon (DMI) enthält. Diese Lösung zielt darauf ab, die störenden Ablagerungen zu entfernen, ohne die Elektroden zu schädigen. Ergebnisse zeigen, dass Batterien, die zuvor nur 70 bis 80 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität erreicht hatten, nach der Behandlung wieder bis zu 95 Prozent erreichen konnten.
Langfristige Vorteile der regenerierten Akkus
Die regenerierten Akkus zeigten in den durchgeführten Tests nicht nur eine verbesserte Kapazität, sondern auch eine reduzierte Alterung. Bei unbehandelten Batterien betrug der durchschnittliche Kapazitätsverlust pro Ladezyklus 0,072 Prozent, während dieser Wert bei mit DEER behandelten Zellen nur 0,042 Prozent betrug. Diese Ergebnisse wurden über einen Zeitraum von etwa 800 Ladezyklen dokumentiert. Bemerkenswert ist zudem, dass eine einmal regenerierte Batterie ein zweites Mal behandelt werden kann, was erneut etwa 90 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität ermöglicht. Das deutet darauf hin, dass das Verfahren die nutzbare Lebensdauer von Batterien unter bestimmten Umständen mehrfach verlängern könnte.
Unterschiede zu herkömmlichen Recyclingmethoden
Ein entscheidender Unterschied zu den derzeit üblichen Recyclingmethoden liegt in der Behandlung der Batterien. Herkömmliche Verfahren führen oft dazu, dass Batterien zu einem dunklen Pulver, auch als „Black Mass“ bekannt, zerkleinert werden. Diese Masse enthält wertvolle Ressourcen wie Lithium, Nickel und Kobalt, die später zurückgewonnen werden können. Allerdings gehen dabei die ursprünglichen Bauteile der Batterie verloren. Das Cornell-Forscherteam verfolgt einen anderen Ansatz: Sie betrachten die Batterie nicht nur als Rohstoffquelle, sondern als ein Produkt, dessen einzelne Komponenten repariert werden können.
Quellen: techbook, Bild
Dieser Text wurde mit Hilfe von künstlicher Intelligenz in Zusammenarbeit mit unserer Redaktion erstellt.
