23.07.2020 - Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt)

Fluor-Recycling für Lithium-Ionen-Akkus

Lithium-Ionen-Akkus auf Wasserbasis wären ungefährlicher in der Handhabung und zugleich leichter zu rezyklieren

Lithium-Ionen-Akkus enthalten Fluor-reiche Salze, die an feuchter Luft zu giftigem, stark ätzendem Fluorwasserstoff zerfallen. Die Gefährlichkeit von Fluorwasserstoff erschwert und verteuert das Recycling. An der Empa startet nun ein Forschungsprojekt «Fluoribat», um dieses Problem zu lösen. So könnte der Lebenszyklus eines Akkus preisgünstiger ablaufen und zugleich sicherer werden.

Die Menge an Batterien, die uns umgibt, wird rasch zunehmen. Die Global Battery Alliance des World Economic Forum WEF rechnet mit einer Verzehnfachung der Antriebs- und Speicherbatterien innerhalb der nächsten zehn Jahre. Dabei werden Lithium-Ionen-Akkus den grössten Anteil ausmachen.

Segen und Fluch zugleich

Aufgrund der enormen Menge an Batterien, die in den kommenden Jahren gefertigt und rezykliert werden müssen, gerät ein chemisches Element in den Fokus, über das bislang nur selten diskutiert wurde: Fluor. Es steckt – in kleinen Mengen – in allen Lithium-Ionen-Akkus. Die Elektrolytflüssigkeit eines solchen Akkus enthält Hexafluorophosphat Anionen PF6- – eine Fluor-Verbindung, die für die Langzeitstabilität der Batterie sorgt und hohe Zellspannungen ermöglicht. Der Nachteil: PF6- zerfällt im Kontakt mit Wasser oder an feuchter Luft zu giftigem, stark ätzendem Fluorwasserstoff HF. Während die Batterie in Betrieb ist, muss sie also in einer vollkommen dichten, luftundurchlässigen Hülle stecken, sonst emittiert sie giftige Fluor-Verbindungen. Spätestens beim Recycling wird jedoch die luftdichte Hülle aufgeschlitzt. Der nun entstehende Fluorwasserstoff macht das Reycling kompliziert und teuer.

Forschungsansatz: wasserfeste Fluorsalze

Die Empa beginnt im Sommer 2020 mit dem Forschungsprojekt namens "Fluoribat", um diesem Problem entgegenzutreten. Das Forschungsteam von Corsin Battaglia, Leiter der Abteilung «Materials for Energy Conversion», hat einen neuen, nicht-brennbaren Wasser-basierten Elektrolyten für Lithium-Ionen-Batterien entwickelt, der mit bereits heute gebräuchlichen Elektrodenmaterialien in diesen Akkus kompatibel ist. "Unsere Zellen weisen nach 200 Lade- und Entladezyklen noch mehr als 80% der Anfangskapazität auf" sagt Maximilian Becker, Batterieforscher in der Abteilung von Corsin Battaglia.

Das gegenüber Wasser stabile Lithiumsalz, das in den experimentellen Batteriezellen der Empa verwendet wird, könnte im Grossmassstab zu konkurrenzfähigen Preisen hergestellt werden. Für eine erfolgreiche Kommerzialisierung muss die Langzeitstabilität weiter verbessert werden. Doch wenn sich diese Hürde überwinden lässt, könnte eine solche Batterie wesentlich kostengünstiger produziert und am Ende ihres Lebens rezykliert werden – eine absolut trockene Umgebung ist für beide Arbeitsschritte dann nicht mehr notwendig.

Auf dem Weg zur Kreislaufwirtschaft

Wasser-basiertes Recycling von alten Lithium-Ionen-Akkus eröffnet zugleich neue Chancen für eine Kreislaufwirtschaft. Wenn die Elektrolyt-Salze aus Batterien auf einfache Weise wiedergewonnen werden können, kann das darin enthaltene Fluor für neue Batterien verwendet werden – ein zunehmend wichtiger Aspekt bei der zu erwartenden Menge an Akkus. Die Empa-Abteilung "Technologie und Gesellschaft", unter Leitung von Patrick Wäger, ist spezialisiert auf das Recycling von Batterien und die Berechnung der Umweltauswirkungen neuer technologischer Anwendungen entlang ihres Lebenszyklus. Die Analyse soll zeigen, welche Vorteile Batterien haben, die auf wasserunempfindlichen Fluor-Salzen basieren. In der Studie soll diese neue Generation von Akkus hinsichtlich Sicherheit und Umwelt mit Akkus der heutigen Generation verglichen werden.

Batterieforschung in europäischem Rahmen

Die Empa ist Partner im Europäischen Projekt Battery2030+, dass die Batterieforschungsaktivitäten auf europäischer Ebene koordinieren wird. Ein wichtiges Ziel dieser Aktivitäten ist die Nachhaltigkeit von Batterien zu verbessern. Dazu ist es wichtig, nicht nur Metalle wie Kobalt, Nickel, Kupfer, Aluminium und Lithium möglichst im Kreislauf zu führen. Auch potentiell giftige Elemente wie Fluor müssen Teil von Nachhaltigkeitsbetrachtungen sein: Sie gilt es in sicheren, kontrollierten Bahnen zu halten.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
Mehr über Empa
  • News

    Moleküle in kollektiver Ekstase

    Wenn sich fluoreszierende Farbstoffmoleküle perfekt aneinanderschmiegen, entsteht etwas völlig Neues: Ein über viele Moleküle verteilter angeregter Zustand. Solche «kollektiven Anregungen» lassen sich vielfältig nutzen – etwa für organische Solarpanels, in Sensoren, für ultraschnelle Datenü ... mehr

    Ein nächster Schritt zu klimafreundlichen Treibstoffen

    Synhelion und die Empa führen ein gemeinsames Forschungsprojekt für die Weiterentwicklung eines Hochtemperatur-Energiespeichers durch, der ein zentraler Bestandteil bei der Herstellung von klimafreundlichen solaren Treibstoffen ist. Das Projekt wird zum weltweit ersten Mal das günstige und ... mehr

    Massgeschneiderte Enzyme für Chemiegifte?

    Bakterien aus einer indischen Mülldeponie könnten helfen, chemische Altlasten zu beseitigen. Im Fokus stehen Pestizide oder bromierte Flammschutzmittel, die sich in der Natur und in Nahrungsketten anreichern. Forscher der Empa und der Eawag erzeugten mit Hilfe dieser Bakterien Enzyme, die s ... mehr

  • Videos

    Eine wasserbasierte, wiederaufladbare Batterie

    Ein Gramm Wasser löst sieben Gramm NaFSI-Salz auf. So entsteht eine klare Salzlösung mit einer elektrochemischen Stabilität von bis zu 2,6 Volt - doppelt so viel wie bei anderen wässrigen Elektrolyten. mehr

    Nanozellulose-Schwämme gegen ausgelaufenes Öl

    Mit Nanozellulose gegen die Ölverschmutzungen in Gewässer. Empa-Forschenden ist es gelungen, einen Nanozellulose-Schwamm herzustellen, der Öl im Wasser aufsaugt und immer noch schwimmt. So könnte man in Zukunft ganz einfach ausgelaufenes Öl im Wasser entfernen. mehr

    Brennstoffzellen: «Saubere» Mobilität dank Wasserstoff

    Wasserstoff wird oft als «Benzin der Zukunft» bezeichnet. Die Postauto Schweiz AG betreibt versuchsweise eine Wasserstofftankstelle in Brugg AG für ihre Brennstoffzellen-Busse. An diesem Projekt beteiligt sich die Empa in Beratungsfunktion. Sie untersucht die Effizienz der Wasserstoffproduk ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Empa - Swiss Federal Laboratories for Materials Testing and Research

    mehr

    Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt)

    Die Empa ist eine interdisziplinäre Forschungs- und Dienstleistungsinstitution für Materialwissenschaften und Technologieentwicklung innerhalb des ETH-Bereichs. Die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten der Empa orientieren sich an den Anforderungen der Industrie und den Bedürfnissen der ... mehr

    Empa

    Die Empa ist eine interdisziplinäre Forschungs- und Dienstleistungsinstitution für Materialwissenschaften und Technologieentwicklung innerhalb des ETH-Bereichs. Die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten der Empa orientieren sich an den Anforderungen der Industrie und den Bedürfnissen der ... mehr