Lithium-Ionen-Akkus sind in vielen zeitgemäßen Geräten, wie etwa Smartphones, Laptops und Elektrofahrzeugen, unverzichtbar. Allerdings verlieren diese Akkus über die Zeit und nach zahlreichen Ladezyklen an Effizienz und müssen letztendlich recycelt werden. Ein Forscherteam hat nun eine innovative Methode entwickelt, die möglicherweise den Recyclingprozess revolutionieren könnte. Anstatt die alten Akkus vollständig auseinanderzunehmen und die darin enthaltenen Rohstoffe zurückzugewinnen, zielt die neue Technik darauf ab, zentrale Komponenten direkt wiederzuverwenden. Dies könnte nicht nur die Kosten reduzieren, sondern auch den Energieaufwand im Recycling erheblich verringern.
Ein neuer Ansatz zur Regeneration von Elektroden
Das Forschungsteam der Cornell University in den USA hat einen neuartigen Ansatz entwickelt, der als „Direct Electrode-to-Electrode Regeneration“ (DEER) bekannt ist. Diese Methode beschreibt die direkte Regeneration von Elektroden innerhalb des Akkus. Die Elektroden spielen eine entscheidende Rolle, da sie während des Lade- und Entladevorgangs die elektrischen Ladungen transportieren. Das Ziel der Wissenschaftler besteht darin, die Elektroden zu erhalten und sie wiederaufzubereiten, anstatt sie, wie es bislang der Fall war, zu zerstören.
Herausforderungen der Rohstoffverfügbarkeit und Recyclingprozesse
Ein zentrales Anliegen der Forschung ist die Sorge um die langfristige Verfügbarkeit essenzieller Rohstoffe. Vibha Kalra, Projektleiterin und Professorin für Chemieingenieurwesen an der Cornell University, signalisiert, dass die für Lithium-Ionen-Akkus nötigen Mineralien in der Erdkruste begrenzt sind. Kalra beschreibt den gegenwärtigen Recyclingprozess als „Akt brutaler Gewalt“, da alte Akkus häufig geschreddert oder eingeschmolzen werden. Dabei werden Rohstoffe wie Lithium, Nickel und Kobalt zurückgewonnen, die anschließend aufwändig erneut verarbeitet werden müssen, um neue Batterien herzustellen. Der DEER-Ansatz verfolgt hingegen das Ziel, die bestehenden Bauteile möglichst lange im Einsatz zu halten.
Gründe für den Leistungsverlust von Lithium-Ionen-Akkus
Der Leistungsverlust dieser Batterien ist nicht allein auf den völligen Verschleiß ihrer Materialien zurückzuführen. Im Laufe der Nutzung bilden sich im Inneren der Batterie Ablagerungen. Das Cornell-Team spricht von einer „Solid Electrolyte Interphase“ (SEI), einer dünnen Schicht, die sich auf den Elektroden bildet. Eine gewisse Menge dieser Schicht ist normal und notwendig, doch im Laufe der Zeit verdickt sie sich und beeinflusst die chemischen Prozesse innerhalb des Akkus negativ. Dies führt zu einem Rückgang der Kapazität und einer verkürzten Lebensdauer.
Der Regenerationsprozess im Detail
Um diese störenden Ablagerungen zu entfernen, nehmen die Forscher die Elektroden aus alten Batterien heraus und tauchen sie in eine spezielle chemische Lösung, die die Verbindung 1,3-Dimethyl-2-Imidazolidinon (DMI) enthält. Diese Lösung soll die Ablagerungen beseitigen, ohne die Elektroden selbst zu schädigen. Nach dieser Behandlung konnten Batterien, die zuvor nur 70 bis 80 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität erreicht hatten, auf bis zu 95 Prozent regeneriert werden.
Vorteile der regenerierten Akkus auf lange Sicht
Die regenerierten Batterien zeigten in Tests nicht nur eine verbesserte Kapazität, sondern auch eine langsamere Alterung. Während unbehandelte Akkus pro Ladezyklus durchschnittlich 0,072 Prozent ihrer Kapazität einbüßten, lag dieser Wert bei den mit DEER behandelten Zellen bei nur 0,042 Prozent. Diese Ergebnisse wurden über etwa 800 Ladezyklen dokumentiert. Zudem ist es interessant, dass eine bereits regenerierte Batterie ein weiteres Mal behandelt werden kann, wodurch sie erneut bis zu 90 Prozent ihrer originalen Kapazität erreichen kann. Dies lässt darauf schließen, dass das Verfahren die nutzbare Lebensdauer von Akkus unter bestimmten Bedingungen mehrfach verlängern könnte.
Unterschiede zu traditionellen Recyclingverfahren
Ein markanter Unterschied zu den gegenwärtigen Recyclingmethoden ist der Umgang mit den Batterien. In herkömmlichen Verfahren werden diese häufig zu einem dunklen Pulver, auch bekannt als „Black Mass“, zerkleinert. Diese Masse enthält wertvolle Rohstoffe wie Lithium, Nickel und Kobalt, die anschließend zurückgewonnen werden können. Dabei gehen jedoch die ursprünglichen Bauteile der Batterie verloren. Das Forschungsteam der Cornell University möchte genau dies verhindern und sieht die Batterie nicht nur als Rohstoffquelle, sondern als ein Produkt, dessen Einzelkomponenten repariert und wiederverwendet werden können.
Quellen: techbook, Bild
Dieser Text wurde mit Hilfe von künstlicher Intelligenz in Zusammenarbeit mit unserer Redaktion erstellt.
