28.08.2020 - Nanyang Technological University

Wissenschaftler verwenden Orangenschalen, um aus alten Batterien neue zu machen

Mit Hilfe von Fruchtschalenabfälle Edelmetalle aus Batterieabfällen effizient zurückgewinnen

Wissenschaftler unter der Leitung der Nanyang Technological University, Singapur (NTU Singapur) haben eine neuartige Methode entwickelt, um aus Fruchtschalenabfällen Edelmetalle aus verbrauchten Lithium-Ionen-Batterien zu extrahieren und wiederzuverwenden, um neue Batterien herzustellen.

Das Team demonstrierte sein Konzept mit Hilfe von Orangenschalen, die Edelmetalle aus Batterieabfällen effizient zurückgewinnen. Aus diesen zurückgewonnenen Metallen stellten sie dann funktionsfähige Batterien her, wobei nur minimaler Abfall entsteht.

Die Wissenschaftler sagen, dass ihr "Waste-to-Resource"-Ansatz sowohl Lebensmittelabfälle als auch Elektronikschrott in Angriff nimmt und die Entwicklung einer Kreislaufwirtschaft mit Null Abfall unterstützt, in der die Ressourcen so lange wie möglich in Gebrauch gehalten werden. Jedes Jahr fallen weltweit schätzungsweise 1,3 Milliarden Tonnen Lebensmittelabfälle und 50 Millionen Tonnen Elektroschrott an.

Verbrauchte Batterien werden konventionell mit extremer Hitze (über 500°C) behandelt, um wertvolle Metalle zu schmelzen, wodurch gefährliche giftige Gase freigesetzt werden. Alternative Ansätze, die starke Säurelösungen oder schwächere Säurelösungen mit Wasserstoffperoxid verwenden, um die Metalle zu extrahieren, werden erforscht, aber sie erzeugen immer noch sekundäre Schadstoffe, die Gesundheits- und Sicherheitsrisiken bergen, oder sind auf Wasserstoffperoxid angewiesen, das gefährlich und instabil ist.

Professor Madhavi Srinivasan, Ko-Direktor des Labors der NTU Singapur-CEA Alliance for Research in Circular Economy (NTU SCARCE), sagte: "Die derzeitigen industriellen Recyclingprozesse von Elektroschrott sind energieintensiv und stoßen schädliche Schadstoffe und flüssige Abfälle aus, was auf einen dringenden Bedarf an umweltfreundlichen Methoden hinweist, da die Menge an Elektroschrott zunimmt. Unser Team hat gezeigt, dass dies mit biologisch abbaubaren Substanzen möglich ist.

"Diese Ergebnisse bauen auf unserer bestehenden Arbeit bei SCARCE im Rahmen des Energieforschungsinstituts der NTU (ERI@N) auf. Das SCARCE-Labor wurde eingerichtet, um umweltfreundlichere Wege für das Recycling von Elektroschrott zu entwickeln. Es ist auch Teil der NTU-Initiative "Smart Campus", die darauf abzielt, technologisch fortschrittliche Lösungen für eine nachhaltige Zukunft zu entwickeln.

sagte Assistenzprofessor Dalton Tay von der NTU School of Materials Science and Engineering und der School of Biological Sciences: "In Singapur, einem Land mit knappen Ressourcen, wird dieser Prozess des städtischen Bergbaus zur Gewinnung wertvoller Metalle aus allen Arten ausrangierter Elektronik sehr wichtig. Mit dieser Methode bekämpfen wir nicht nur das Problem der Ressourcenerschöpfung, indem wir diese Edelmetalle so weit wie möglich in Gebrauch halten, sondern auch das Problem des Elektroschrotts und der Anhäufung von Lebensmittelabfällen - beides eine wachsende globale Krise".

Ein kostengünstiger, nachhaltiger Ansatz

Da industrielle Ansätze für das Recycling von Batterieabfällen schädliche Schadstoffe erzeugen, wird die Hydrometallurgie - die Verwendung von Wasser als Lösungsmittel für die Extraktion - zunehmend als mögliche Alternative erforscht. Bei diesem Verfahren werden gebrauchte Batterien zunächst geschreddert und zerkleinert, um ein zerkleinertes Material zu erhalten, das als schwarze Masse bezeichnet wird. Die Forscher extrahieren dann wertvolle Metalle aus der schwarzen Masse, indem sie sie in einer Mischung aus starken oder schwachen Säuren und anderen Chemikalien wie Wasserstoffperoxid unter Hitze auflösen, bevor sie die Metalle ausfallen lassen.

Obwohl relativ umweltfreundlicher als konventionelle Methoden, könnte die Verwendung solch starker Chemikalien im industriellen Maßstab eine beträchtliche Menge an sekundären Schadstoffen erzeugen, was erhebliche Sicherheits- und Gesundheitsrisiken mit sich bringen würde, sagte Asst Prof. Tay.

Das NTU-Team fand heraus, dass die Kombination aus Orangenschale, die im Ofen getrocknet und zu Pulver gemahlen wurde, und Zitronensäure, einer schwachen organischen Säure, die in Zitrusfrüchten vorkommt, dasselbe Ziel erreichen kann.

In Laborexperimenten stellte das Team fest, dass ihr Ansatz erfolgreich rund 90 Prozent Kobalt, Lithium, Nickel und Mangan aus verbrauchten Lithium-Ionen-Batterien extrahierte - eine vergleichbare Wirksamkeit wie der Ansatz mit Wasserstoffperoxid.

Asst Prof. Tay erklärte: "Der Schlüssel liegt in der in der Orangenschale enthaltenen Zellulose, die während des Extraktionsprozesses unter Hitze in Zucker umgewandelt wird. Diese Zucker verbessern die Rückgewinnung von Metallen aus Batterieabfällen. Natürlich vorkommende Antioxidantien in der Orangenschale, wie Flavonoide und Phenolsäuren, könnten ebenfalls zu dieser Verbesserung beigetragen haben".

Wichtig ist, dass sich die bei diesem Prozess anfallenden festen Rückstände als ungiftig erwiesen, was darauf hindeutet, dass diese Methode umweltverträglich ist, fügte er hinzu.

Aus den zurückgewonnenen Materialien stellten sie dann neue Lithium-Ionen-Batterien zusammen, die eine ähnliche Ladekapazität wie kommerzielle Batterien aufwiesen. Weitere Forschungsarbeiten sind im Gange, um die Lade-/Entlade-Zyklusleistung dieser neuen Batterien, die aus rückgewonnenen Materialien hergestellt werden, zu optimieren.

Dies deutet darauf hin, dass diese neue Technologie "für das Recycling von verbrauchten Lithium-Ionen-Batterien im industriellen Sinn praktisch durchführbar ist", so die Forscher.

Das Team ist nun bestrebt, die Leistung seiner Batterien, die aus behandeltem Batterieabfall entstehen, weiter zu verbessern. Sie optimieren auch die Bedingungen für eine Ausweitung der Produktion und untersuchen die Möglichkeit, die Verwendung von Säuren im Prozess zu vermeiden.

Prof. Madhavi, der auch von der Fakultät für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen der NTU und ERI@N stammt, sagte: "Dieser Waste-to-Resource-Ansatz könnte möglicherweise auch auf andere Arten von zellulosereichen Obst- und Gemüseabfällen sowie auf Lithium-Ionen-Batterietypen wie Lithiumeisenphosphat und Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid ausgedehnt werden. Dies würde dazu beitragen, große Fortschritte auf dem Weg zur neuen Kreislaufwirtschaft des Elektroschrotts zu machen und unser Leben auf eine grünere und nachhaltigere Art und Weise zu gestalten".

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