Neues selbstorganisierendes Material könnte der Schlüssel zu recycelbaren EV-Batterien sein
MIT-Forscher haben einen Elektrolyten entwickelt, der am Ende der Lebensdauer einer Batterie zerfällt und so ein einfacheres Recycling der Komponenten ermöglicht
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Der Boom der Elektrofahrzeuge von heute ist der Elektroschrott von morgen. Und obwohl unzählige Anstrengungen unternommen werden, um das Batterierecycling zu verbessern, landen viele Elektroauto-Batterien immer noch auf der Mülldeponie.
Ein Forscherteam des MIT möchte dies mit einer neuen Art von selbstorganisierendem Batteriematerial ändern, das sich schnell auflöst, wenn es in eine einfache organische Flüssigkeit getaucht wird. In einem neuen Artikel, der in Nature Chemistry veröffentlicht wurde, zeigen die Forscher, dass das Material als Elektrolyt in einer funktionierenden Festkörperbatteriezelle eingesetzt werden kann und sich innerhalb von Minuten wieder in seine ursprünglichen molekularen Bestandteile zurückverwandelt.
Der Ansatz bietet eine Alternative dazu, die Batterie in eine gemischte, schwer zu recycelnde Masse zu schreddern. Da der Elektrolyt als verbindende Schicht der Batterie dient, zerfällt die gesamte Batterie in ihre ursprüngliche molekulare Form, wenn das neue Material zurückkehrt, und beschleunigt so den Recyclingprozess.
"Bisher haben wir uns in der Batterieindustrie auf Hochleistungsmaterialien und -designs konzentriert und erst später versucht, herauszufinden, wie man Batterien mit komplexen Strukturen und schwer zu recycelnden Materialien recyceln kann", sagt der Erstautor der Studie, Yukio Cho PhD '23. "Unser Ansatz besteht darin, mit leicht zu recycelnden Materialien zu beginnen und herauszufinden, wie man sie batteriekompatibel machen kann. Es ist ein neuer Ansatz, Batterien von Anfang an so zu gestalten, dass sie recycelt werden können.
Neben Cho arbeiten der Doktorand Cole Fincher, Ty Christoff-Tempesta PhD '22, der Kyocera-Professor für Keramik Yet-Ming Chiang, die Gastprofessorin Julia Ortony, Xiaobing Zuo und Guillaume Lamour an der Arbeit.
Bessere Batterien
In einem der "Harry Potter"-Filme gibt es eine Szene, in der Professor Dumbledore ein baufälliges Haus mit einem Handgriff und einem Zauberspruch reinigt. Cho sagt, dieses Bild sei ihm als Kind im Gedächtnis geblieben. (Gibt es eine bessere Art, sein Zimmer aufzuräumen?) Als er einen Vortrag von Ortony über die Technik der Moleküle sah, mit der sie sich zu komplexen Strukturen zusammenfügen und dann wieder in ihre ursprüngliche Form zurückkehren können, fragte er sich, ob man dies nicht auch für das Recycling von Batterien nutzen könnte, das wie Magie funktioniert.
Das wäre ein Paradigmenwechsel für die Batterieindustrie. Heute sind für das Recycling von Batterien scharfe Chemikalien, große Hitze und eine komplexe Verarbeitung erforderlich. Eine Batterie besteht aus drei Hauptbestandteilen: der positiv geladenen Kathode, der negativ geladenen Elektrode und dem Elektrolyten, der die Lithium-Ionen zwischen ihnen transportiert. Die Elektrolyte in den meisten Lithium-Ionen-Batterien sind leicht entflammbar und zerfallen mit der Zeit in giftige Nebenprodukte, die eine spezielle Handhabung erfordern.
Um den Recyclingprozess zu vereinfachen, beschlossen die Forscher, einen nachhaltigeren Elektrolyten herzustellen. Dazu wendeten sie sich einer Klasse von Molekülen zu, die sich in Wasser selbst anordnen, den Aramid-Amphiphilen (AAs), deren chemische Struktur und Stabilität der von Kevlar ähnelt. Die Forscher entwickelten die AAs so, dass sie an einem Ende jedes Moleküls Polyethylenglykol (PEG) enthalten, das Lithiumionen leiten kann. Wenn die Moleküle Wasser ausgesetzt werden, bilden sie spontan Nanobänder mit ionenleitenden PEG-Oberflächen und Basen, die durch enge Wasserstoffbrückenbindungen die Robustheit von Kevlar imitieren. Das Ergebnis ist eine mechanisch stabile Nanobandstruktur, die Ionen über ihre Oberfläche leitet.
"Das Material besteht aus zwei Teilen", erklärt Cho. "Der erste Teil ist diese biegsame Kette, die uns ein Nest oder einen Wirt für Lithiumionen bietet, in dem sie herumspringen können. Der zweite Teil ist diese starke organische Materialkomponente, die auch in Kevlar verwendet wird, einem kugelsicheren Material. Diese machen die gesamte Struktur stabil."
Wenn die Nanobänder zu Wasser gegeben werden, ordnen sie sich selbst an und bilden Millionen von Nanobändern, die durch Heißpressen zu einem festen Material verarbeitet werden können.
"Innerhalb von fünf Minuten nach der Zugabe zu Wasser wird die Lösung gelartig, was darauf hindeutet, dass sich so viele Nanofasern in der Flüssigkeit gebildet haben, dass sie beginnen, sich gegenseitig zu verflechten", sagt Cho. "Das Spannende ist, dass wir dieses Material aufgrund des Selbstorganisationsverhaltens in großem Maßstab herstellen können".
Das Team testete die Festigkeit und Zähigkeit des Materials und stellte fest, dass es den mit der Herstellung und dem Betrieb der Batterie verbundenen Belastungen standhalten kann. Außerdem konstruierten sie eine Festkörperbatteriezelle mit Lithiumeisenphosphat als Kathode und Lithiumtitanoxid als Anode, beides gängige Materialien in heutigen Batterien. Die Nanobänder bewegten die Lithiumionen erfolgreich zwischen den Elektroden, aber ein Nebeneffekt, der als Polarisierung bekannt ist, schränkte die Bewegung der Lithiumionen in die Elektroden der Batterie während schneller Lade- und Entladevorgänge ein, was ihre Leistung im Vergleich zu den heutigen kommerziellen Goldstandard-Batterien beeinträchtigte.
"Die Lithium-Ionen bewegten sich zwar entlang der Nanofasern, aber der Übergang der Lithium-Ionen von den Nanofasern zum Metalloxid scheint der langsamste Punkt des Prozesses zu sein", sagt Cho.
Als sie die Batteriezelle in organische Lösungsmittel tauchten, löste sich das Material sofort auf, und die einzelnen Teile der Batterie fielen für ein einfacheres Recycling ab. Cho verglich die Reaktion der Materialien mit dem Eintauchen von Zuckerwatte in Wasser.
"Der Elektrolyt hält die beiden Batterieelektroden zusammen und sorgt für die Lithium-Ionen-Bahnen", sagt Cho. "Wenn man die Batterie also recyceln will, kann die gesamte Elektrolytschicht auf natürliche Weise abfallen und man kann die Elektroden separat recyceln."
Validierung eines neuen Ansatzes
Laut Cho handelt es sich bei dem Material um ein Proof-of-Concept, das den Recycling-Ansatz demonstriert.
"Wir wollen nicht sagen, dass wir alle Probleme mit diesem Material gelöst haben", sagt Cho. "Unsere Batterieleistung war nicht fantastisch, weil wir nur dieses Material als gesamten Elektrolyten für das Papier verwendet haben, aber wir stellen uns vor, dieses Material als eine Schicht im Batterieelektrolyten zu verwenden. Es muss nicht der gesamte Elektrolyt sein, um den Recyclingprozess in Gang zu setzen."
Cho sieht auch noch viel Spielraum, um die Leistung des Materials durch weitere Experimente zu optimieren.
Die Forscher suchen nun nach Möglichkeiten, diese Art von Materialien in bestehende Batteriekonzepte zu integrieren und die Ideen in neue Batteriechemien zu implementieren.
"Es ist eine große Herausforderung, bestehende Hersteller davon zu überzeugen, etwas ganz anders zu machen", so Cho. "Bei neuen Batteriematerialien, die vielleicht in fünf oder zehn Jahren auf den Markt kommen, könnte es jedoch einfacher sein, sie von Anfang an in neue Designs zu integrieren.
Cho glaubt auch, dass dieser Ansatz dazu beitragen könnte, die Lithiumversorgung wiederherzustellen, indem Materialien aus Batterien, die bereits in den USA vorhanden sind, wiederverwendet werden.
"Die Menschen beginnen zu erkennen, wie wichtig das ist", sagt Cho. "Wenn wir anfangen können, Lithium-Ionen-Batterien aus Batterieabfällen in großem Maßstab zu recyceln, hat das denselben Effekt wie die Eröffnung von Lithiumminen in den USA. Außerdem benötigt jede Batterie eine bestimmte Menge Lithium, so dass wir, wenn wir das Wachstum von Elektrofahrzeugen hochrechnen, dieses Material wiederverwenden müssen, um massive Lithiumpreisspitzen zu vermeiden."
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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