Einstufiges Recycling von Batteriekathoden
Wesentlich kostengünstiger, weniger umweltbelastend und weniger gesundheitsgefährdend als alle derzeit angewandten Recyclingmethoden
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Ein neues, von Ingenieuren von Illinois Grainger entwickeltes Batterierecyclingverfahren entfernt knappe, teure Metalle aus alten Batteriekathoden und beschichtet sie in einem einzigen Schritt auf neue Kathoden. Das Ergebnis ist wesentlich kostengünstiger, weniger umweltbelastend und weniger gesundheitsgefährdend als alle derzeit angewandten Recyclingmethoden.
Schematische Darstellung des einstufigen Batteriekathoden-Recyclingverfahrens. Eine alte Elektrode wird in ein Regenerationsbad gelegt. Ein elektrochemischer Prozess löst die wertvollen Metalle und beschichtet sie in einem einzigen Schritt auf eine neue Elektrode.
The Grainger College of Engineering at the University of Illinois Urbana-Champaign
Für Batteriekathoden - den positiven Teil der Batterie, der zur Speicherung elektrischer Energie beiträgt - werden häufig seltene, teure Metalle wie Kobalt benötigt. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, wirksame Verfahren für das Recycling von Kathoden zu entwickeln, die die für ihren Betrieb erforderlichen Metalle zurückgewinnen.
Forscher des Grainger College of Engineering an der University of Illinois Urbana-Champaign haben ein einstufiges Verfahren zur gleichzeitigen Gewinnung von Metallen aus alten Kathoden und zur Herstellung neuer Kathoden entwickelt. Die Forscher konzentrierten sich auf Lithium-Kobalt-Oxid, das Kathodenmaterial, das am häufigsten in Telefon- und Laptop-Akkus verwendet wird, und zeigten, dass ein einziger elektrochemischer Prozess verwendet werden kann, um das Material aus einem verbrauchten Anschluss herauszulösen und auf einem neuen abzulagern. Wie in der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials berichtet wird, ist das neue Verfahren nur ein Achtel so kostspielig und über 50 % weniger belastend als herkömmliche Recyclingverfahren.
"Die Tatsache, dass es sich bei unserem Verfahren um einen einzigen Schritt handelt, macht den Unterschied aus, denn der Materialbedarf ist weniger als halb so hoch wie bei anderen Recyclingverfahren", so Jarom Sederholm, Doktorand der Chemie- und Biomolekulartechnik bei Illinois Grainger Engineering und Hauptautor der Studie. "Wir haben mit Kollegen aus der Abteilung für Industrie- und Unternehmenssystemtechnik zusammengearbeitet, um sowohl die Kosten als auch die Umweltauswirkungen dieses Prozesses in großem Maßstab zu analysieren. Bei allen Faktoren ist unser Verfahren besser."
Paul Braun, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen bei Illinois Grainger Engineering und Leiter des Projekts, sagte: "Die derzeitigen Methoden für das Recycling von Batteriekathoden umfassen zu viele Schritte. Die Kathoden müssen zerlegt, getrennt und gereinigt, durch chemische Reaktionen neu geformt und dann auf neue Batteriekomponenten aufgetragen werden. Diese Prozesse erfordern einen beträchtlichen Energie- und Chemikalieneinsatz, was die Kosten, das Potenzial für Umweltschäden und die Risiken für die menschliche Gesundheit erhöht."
Sederholm erinnert sich, dass die Idee für das neue Verfahren aus einer hypothetischen Diskussion mit Braun entstand.
"Unsere Forschungsgruppe arbeitet intensiv mit der Elektroabscheidung - einem Mechanismus, bei dem elektrische Ladung verwendet wird, um ein Material auf ein Substrat zu schichten - und verfügt über eine umfangreiche Forschungsinfrastruktur", so Sederholm. "Eines Tages kam uns der Gedanke: Wenn die galvanische Abscheidung möglich ist, dann sollte auch der umgekehrte Weg möglich sein. Es sollte möglich sein, eine Beschichtung auch mit Strom aufzulösen. Also ging ich ins Labor, stellte alles mit der richtigen Lösung und den richtigen Spannungen ein, und die Kobalt-Lithiumoxid-Beschichtung auf einer Kathode löste sich sofort ab."
Da das benötigte Metall bereits in der Lösung aus dem Abbeizprozess gelöst war, war es der nächste logische Schritt, eine neue Kathode in die Lösung einzulegen und sie durch Elektroabscheidung zu beschichten. Der gesamte Recyclingprozess - die Rückgewinnung der wertvollen Metalle und ihre Wiederverwendung in einem neuen Produkt - erfolgt in einem einzigen Schritt und einer einzigen Reaktion in einem einzigen chemischen Bad.
Um die Gesamtkosten und die Auswirkungen des neuen einstufigen Verfahrens zu bewerten, wandten sich die Forscher an Kollegen im Illinois Grainger Engineering Department of Industrial and Enterprise Systems Engineering: den Doktoranden Zheng Liu und den Professor Pingfeng Wang. Sie stellten fest, dass die neue Methode alle derzeit verwendeten Verfahren in Bezug auf vier Kriterien übertrifft: wirtschaftliche Effizienz, Umweltauswirkungen, Auswirkungen auf die Ressourcen und Risiken für die menschliche Gesundheit.
Die Studie konzentrierte sich auf Lithium-Kobalt-Oxid-Kathoden, die in der Unterhaltungselektronik weit verbreitet sind, aber Sederholm plant, diese Ergebnisse auf andere Kathodenchemien auszuweiten.
"Es gibt viele Batterietechnologien, die auf Nickel- und Manganoxiden basieren, und sie hätten andere Anforderungen, damit dies funktioniert", sagte er. "Außerdem können sowohl die Kathode als auch die Anode bindende Zusatzstoffe wie Polyvinylidenfluorid (PVDF) enthalten, die bei Freisetzung in die Umwelt schädlich sein können. Wir wollen herausfinden, ob wir die freigesetzte Menge verringern und sogar andere Zusatzstoffe für die Wiederverwendung zurückgewinnen können."
Sederholm, Braun und Arghya Patra, Postdoktorandin bei Illinois Grainger Engineering im Bereich Materialwissenschaft und Technik, haben ein internationales Patent für die aus dieser Studie abgeleitete Technologie angemeldet.
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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