US-amerikanisches wissenschaftliches Forschungsteam entwickelt elektrochemisches Badverfahren zur Wiederherstellung von 95 % der Kapazität verschrotteter Batterien

Ein wissenschaftliches Forschungsteam an der Cornell University in den Vereinigten Staaten gab kürzlich bekannt, dass es ein neues elektrochemisches Badbehandlungsverfahren entwickelt hat, das ausrangierte Lithium-Ionen-Batterieelektroden „erneuern“ kann, ohne die Batteriestruktur zu beschädigen, wodurch ihre Kapazität auf etwa 95 % des ursprünglichen Niveaus wiederhergestellt wird und die Kosten für das Batterierecycling voraussichtlich um etwa 56 % gesenkt werden. Dieses Ergebnis wurde in der Fachzeitschrift „Energy and Environmental Science“ veröffentlicht und gilt als potenzielle Schlüsseltechnologie, um das Recycling von Lithiumbatterien voranzutreiben und die Umweltbelastung zu reduzieren.

Das herkömmliche Recycling von Lithiumbatterien erfordert in der Regel die physische Zerkleinerung der gesamten Batterie und die anschließende Gewinnung wichtiger Metalle wie Lithium, Nickel, Kobalt und Mangan durch komplexe, energieaufwendige Prozesse wie Pyrometallurgie oder Hydrometallurgie zur Verwendung bei der Herstellung neuer Elektroden. Dabei muss zunächst der Batteriesatz vollständig entladen werden, zahlreiche Hilfsteile, darunter Strukturteile und Managementsysteme, demontiert werden und anschließend die Zellen mit Elektroden, Elektrolyten und Separatoren mechanisch zerkleinert werden. Die nach dem Zerkleinern gebildeten gemischten Partikel müssen mehrere Sortierrunden durchlaufen, um Kunststoff- und Metallflocken zu entfernen, sodass nur eine Mischung namens „Schwarzpulver“ zurückbleibt, und dann einer Hochtemperaturschmelze oder chemischen Laugung zugeführt, um das Metall zu reinigen. Dieses Modell hat nicht nur einen langen Prozess, einen hohen Energieverbrauch und hohe Kosten, sondern verursacht auch eine gewisse Luftverschmutzung und einen gewissen Wasserverbrauch.

Das Team der Cornell University wies darauf hin, dass bei den meisten Elektrofahrzeugen und Energiespeichersystemen die Hauptursache für den Ausfall von Lithiumbatterien nicht die physische Zerstörung des Elektrodenkörpers ist, sondern das übermäßige Wachstum der Festelektrolyt-Schnittstellenschicht (SEI) auf der Elektrodenoberfläche. SEI ist ein natürlich gebildeter dünner Film auf der Oberfläche der Elektrode, der für den normalen Betrieb der Batterie notwendig ist. Nach Hunderten oder sogar Tausenden von Lade- und Entladevorgängen wird diese Schicht jedoch immer dicker, wodurch die Impedanz zunimmt und die Kapazität abnimmt. Die Elektrodenskelette vieler ausgedienter Batterien sind noch intakt und nur von einer dicken SEI-Schicht bedeckt, die noch Schlüsselmaterialien wie Lithium, Nickel, Kobalt, Mangan, Kupfer und Aluminium enthält.

Als Reaktion auf dieses Phänomen schlug das wissenschaftliche Forschungsteam ein neues Verfahren namens „Direct Electrode-to-Electrode Regeneration“ (kurz DEER) vor. Dabei wird die verbrauchte Batterie nicht mehr als Ganzes zerkleinert, sondern geöffnet und die Elektroden komplett entnommen und am Stromabnehmer fixiert. Die Elektroden wurden dann in eine elektrochemische Lösung getaucht, die 1,3-Dimethyl-2-imidazolidinon enthielt, wodurch die Lösung die übermäßig dicke SEI-Schicht selektiv auflösen konnte, während die Massenstruktur der Elektrode erhalten blieb. Nach Abschluss der Auflösung verbleibt nur noch ein dünner Lithiumfluoridfilm auf der Elektrodenoberfläche, der zur Stabilisierung der Grenzfläche beiträgt und ein anschließendes übermäßiges SEI-Wachstum verhindert. Die Elektroden können nach dieser „Badregenerations“-Behandlung direkt in neue Batterien zur Wiederverwendung eingebaut werden.

Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass durch den DEER-Prozess regenerierte Lithiumbatterien auf etwa 95 % ihrer ursprünglichen Kapazität wiederhergestellt werden können und eine bessere Stabilität in der Zyklenlebensdauer aufweisen. Projektleiterin Vibha Kalra, Professorin am Department of Chemical Engineering der Cornell University, sagte, dass diese Methode nicht das Zerkleinern der Elektroden zu Pulver und deren erneute Aufbereitung erfordere, sondern eine „In-situ-Reparatur“ der vorhandenen Elektroden, was den Recyclingweg von Batteriematerialien erheblich verkürzt. Das Team führte eine technisch-ökonomische und ökologische Folgenabschätzung des Prozesses mithilfe von Open-Source-Software durch, die in Zusammenarbeit mit dem ReCell Center des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums entwickelt wurde. Die Analyseergebnisse zeigen, dass DEER im Vergleich zu herkömmlichen Recyclingwegen die Herstellungskosten von recycelten Batterien um etwa 56 % senken, schädliche Luftschadstoffemissionen und den Prozesswasserverbrauch reduzieren und die Herstellungskosten für die Produktion neuer Elektroden senken kann.

Die Forscher testeten außerdem die Machbarkeit mehrerer Regenerationen: An einer „Second Life“-Batterie, die nach der Regeneration durch DEER wieder in Betrieb genommen wurde und einen Kapazitätsverlust aufwies, nutzte das Team wiederholt das gleiche Verfahren zur Regeneration. Die Ergebnisse zeigen, dass die Batterie des „dritten Lebens“ nach der zweiten Regeneration immer noch etwa 90 % ihrer ursprünglichen Kapazität beibehalten kann, was darauf hindeutet, dass diese elektrochemische Badmethode das Potenzial für eine Reparatur in mehreren Zyklen hat. Die aktuellen Experimente konzentrieren sich hauptsächlich auf den Leistungsabfall, der durch das Wachstum der SEI-Schicht verursacht wird, und der nächste Forschungsschritt wird auf andere Arten von Batteriealterungsmechanismen wie den Lithiumverlust ausgeweitet.

Kalra sagte, dass der Gesundheitszustand gebrauchter Batterien, die sich derzeit in der Erprobung befinden, bei etwa 70 bis 80 % liegt, was dem Status ausgemusterter Batterien in Anwendungsszenarien für Elektrofahrzeuge entspricht. Wenn in Zukunft weitere Degradationsmechanismen repariert werden können, wird erwartet, dass diese Technologie das Spektrum der Gesundheitszustände erneuerbarer Batterien weiter erweitern wird. Das Team hat seine Anwendungsziele auch auf Batterien in Industriequalität und andere große Lithium-Ionen-Energiespeichersysteme ausgeweitet, in der Hoffnung, diesen Regenerationsprozess in größeren Energieinfrastrukturen voranzutreiben. Die Cornell University geht davon aus, dass die elektrochemische Badregenerationstechnologie voraussichtlich ein wichtiges Glied in der Kreislaufwirtschaft von Lithiumbatterien werden wird, indem sie die Effizienz der Ressourcennutzung verbessert und gleichzeitig die Belastung der Umwelt durch das Recyclingsystem verringert.