Neue "blaugrüne" Lösung für das Recycling von Batterien der ganzen Welt
Lösungsmittel laugen Kobalt und Lithium zur Wiederverwendung aus Altbatterien aus
Die Forscher der Rice University haben buchstäblich eine Lösung, um mit der Überfülle an gebrauchten Lithium-Ionen-Batterien fertig zu werden, die durch die ständig wachsende Nachfrage nach Elektrofahrzeugen, Handys und anderen elektronischen Geräten zurückbleiben.
Die blaugrüne Farbe der Lösungen zeigt das Vorhandensein von Kobalt, das aus verbrauchten Lithium-Ionen-Batterien durch ein neues, an der Rice University entwickeltes Verfahren gewonnen wird.
Jeff Fitlow/Rice University
Das Labor des Materialwissenschaftlers Pulickel Ajayan verwendete ein umweltfreundliches, stark eutektisches Lösungsmittel, um wertvolle Elemente aus den Metalloxiden zu extrahieren, die häufig als Kathoden in Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden. Das Ziel, so die Forscher, sei es, den Einsatz harter Prozesse beim Recycling von Batterien zu reduzieren und sie von Deponien fernzuhalten.
Das Lösungsmittel, das aus den Commodity-Produkten Cholinchlorid und Ethylenglykol hergestellt wird, extrahierte mehr als 90 Prozent des Kobalts aus pulverförmigen Verbindungen und eine kleinere, aber immer noch bedeutende Menge aus gebrauchten Batterien.
"Wiederaufladbare Batterieabfälle, insbesondere aus Lithium-Ionen-Batterien, werden in Zukunft zu einer zunehmend bedrohlichen Umweltherausforderung werden, da die Nachfrage nach diesen durch ihren Einsatz in Elektrofahrzeugen und anderen Geräten drastisch zunimmt", sagte Ajayan.
"Es ist wichtig, strategische Metalle wie Kobalt zu gewinnen, die nur begrenzt verfügbar sind und für die Leistung dieser Energiespeicher entscheidend sind", sagte er. "Aus unserer aktuellen Situation bei Kunststoffen lässt sich lernen, dass es der richtige Zeitpunkt für eine umfassende Strategie zur Verwertung der wachsenden Menge an Batterieabfällen ist."
"Das wurde schon einmal mit Säuren versucht", sagte Rice Graduate Student und Hauptautor Kimmai Tran. "Sie sind effektiv, aber sie sind korrosiv und nicht umweltfreundlich. Insgesamt ist das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien in der Regel teuer und ein Risiko für die Mitarbeiter."
Auch andere Prozesse haben Nachteile, sagte sie. Bei der Pyrometallurgie wird bei extremen Temperaturen zerkleinert und gemischt, und die schädlichen Dämpfe müssen gereinigt werden. Die Hydrometallurgie benötigt ätzende Chemikalien, während andere "grüne" Lösungsmittel, die Metallionen extrahieren, oft zusätzliche Mittel oder Hochtemperaturprozesse benötigen, um sie vollständig zu erfassen.
"Das Schöne an diesem stark eutektischen Lösungsmittel ist, dass es eine Vielzahl von Metalloxiden lösen kann", sagte Tran. "Es besteht buchstäblich aus einem Hühnerfutterzusatz und einem gemeinsamen plastischen Vorläufer, die bei Raumtemperatur zusammengemischt eine klare, relativ ungiftige Lösung mit effektiven solvatisierenden Eigenschaften bilden."
Ein stark eutektisches Lösungsmittel ist eine Mischung aus zwei oder mehr Verbindungen, die bei Temperaturen gefriert, die weit unter denen der einzelnen Vorläufer liegen. Auf diese Weise, sagte sie, kann man buchstäblich eine Flüssigkeit aus einer einfachen Kombination von Feststoffen gewinnen.
"Die große Erdniedrigung von Gefrier- und Schmelzpunkten ist auf die Wasserstoffbrücken zwischen den verschiedenen Chemikalien zurückzuführen", sagte Tran. "Durch die Auswahl der richtigen Vorläufer können kostengünstige grüne Lösungsmittel mit interessanten Eigenschaften hergestellt werden."
Als Tran dem Team beitrat, testete die Rice Group bereits eine eutektische Lösung als Elektrolyt in Hochtemperatur-Superkondensatoren der nächsten Generation.
"Wir haben versucht, es in Metalloxid-Superkondensatoren zu verwenden, und es löste sie auf", sagte Ko-Korrespondent Babu Ganguli. "Die Farbe der Lösung würde sich ändern."
Das Eutektikum zog Ionen aus dem Nickel des Superkondensators.
"Unser Team diskutierte dies und wir erkannten bald, dass wir das, was als Nachteil für den Elektrolyten angesehen wurde, als Vorteil für die Auflösung und das Recycling verbrauchter Lithium-Batterien nutzen könnten", sagte Ganguli.
Das wurde zum Schwerpunkt von Tran, als sie starke eutektische Lösungsmittel auf Metalloxiden bei verschiedenen Temperaturen und Zeitskalen testete. Bei Tests mit Lithium-Kobaltoxidpulver ergab das klare Lösungsmittel ein breites Spektrum an blaugrünen Farben, die auf das Vorhandensein von darin gelöstem Kobalt hindeuteten.
Bei 180 Grad Celsius (356 Grad Fahrenheit) extrahierte das Lösungsmittel fast 90 Prozent der Lithiumionen und bis zu 99 Prozent der Kobaltionen aus dem Pulver, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt waren.
Die Forscher bauten kleine Prototypenbatterien und verwendeten sie 300 Mal, bevor sie die Elektroden den gleichen Bedingungen aussetzten. Das Lösungsmittel erwies sich als geeignet, das Kobalt und Lithium aufzulösen und gleichzeitig die Metalloxide von den anderen in der Elektrode vorhandenen Verbindungen zu trennen.
Sie fanden heraus, dass Kobalt aus der eutektischen Lösung durch Fällung oder sogar Galvanik zu einem Stahlgeflecht zurückgewonnen werden konnte, da letzteres Verfahren die Wiederverwendung des stark eutektischen Lösungsmittels selbst ermöglichen könnte.
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