Mit diesem „Klebstoff“ könnten Batterieherstellung und -recycling umweltfreundlicher werden
Kein Fluor und keine giftigen Lösungsmittel mehr
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Ein neues Bindemittel für Batterien – der Klebstoff, der die inneren Bestandteile einer Batterie zusammenhält – könnte Lithium-Ionen-Batterien umweltfreundlicher und leichter recycelbar machen, ohne dabei Leistungseinbußen in Kauf nehmen zu müssen. Durch die Entwicklung eines fluorfreien und wasserlöslichen Bindemittels haben Ingenieure der University of California San Diego gezeigt, dass sie sowohl die Batterieherstellung als auch das Recycling vereinfachen können, indem sie den Einsatz giftiger Inhaltsstoffe, den Energieverbrauch und das Abfallaufkommen reduzieren. Mit dem neuen Bindemittel hergestellte Batterien zeigten die gleiche Leistung wie herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien.
Dieses neue Bindemittel für Batterien könnte den Anteil giftiger Inhaltsstoffe, den Energieverbrauch und das Abfallaufkommen bei der Herstellung und dem Recycling von Lithium-Ionen-Batterien verringern.
David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
Der Fortschritt, der am 9. Oktober in „Nature Communications“ veröffentlicht wurde, entstand in Zusammenarbeit zwischen dem Labor von Zheng Chen, Professor am Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering an der Jacobs School of Engineering der UC San Diego, und John Muldoon vom Toyota Research Institute of North America.
Das Bindemittel ist ein klebstoffartiges Material, das mit Elektrodenpulvern vermischt wird, um feste Schichten zu bilden, die dann auf dünne Metallfolien im Inneren der Batterie aufgebracht werden. Diese Schichten werden übereinandergeschichtet und aufgerollt, um eine Batterie herzustellen. Obwohl das Bindemittel nur einen geringen Anteil am Gewicht einer Batterie ausmacht, hat es einen großen Einfluss darauf, wie die Batterie hergestellt und recycelt wird.
In Lithium-Ionen-Batterien wird in der Regel ein fluorhaltiges Bindemittel verwendet, da es stark haftende, gleichmäßige Elektroden erzeugt, die über zahlreiche Lade- und Entladezyklen hinweg stabil bleiben. Dadurch erzielen die Batterien eine bessere Leistung und eine längere Lebensdauer.
„Doch genau diese Stabilität erschwert auch das Recycling der Batterien erheblich“, sagte Chen, dessen „Sustainable Materials and Energy Lab“ an der UC San Diego sich auf die Entwicklung effizienter und umweltfreundlicher Verfahren zur Rückgewinnung und Aufbereitung von Materialien aus ausgedienten Lithium-Ionen-Batterien spezialisiert hat.
Das Problem mit Fluor in Bindemitteln
Ein fluorhaltiges Bindemittel muss in einem giftigen Lösungsmittel aufgelöst werden, bevor es mit den Elektrodenpulvern vermischt werden kann. Nach dem Beschichten der Elektroden wird das Lösungsmittel in großen Trockenöfen verdampft. Anschließend sind zusätzliche Schritte erforderlich, um das Lösungsmittel zurückzugewinnen und zu reinigen, damit es wiederverwendet werden kann. „Diese zusätzlichen Schritte erhöhen die Kosten und den Energieverbrauch – sowie die Umweltbelastung – bei der Batterieherstellung erheblich“, sagte der Erstautor der Studie, Jiao Lin, ein Postdoktorand in Chens Labor.
Fluorhaltige Bindemittel erschweren zudem den Recyclingprozess der Batterien. Diese Bindemittel hinterlassen hartnäckige Rückstände, zu deren Entfernung hohe Temperaturen oder ätzende Chemikalien erforderlich sind. Dies führt wiederum zur Entstehung von Sondermüll sowie von fluorhaltigen Nebenprodukten, die die zurückgewonnenen Batteriematerialien verunreinigen und deren Wiederverwendung in neuen Batterien erschweren.
Kein Fluor und keine giftigen Lösungsmittel mehr
Um beide Probleme zu lösen, entwickelte Chens Team ein Bindemittel, das kein Fluor enthält und mit einem ungiftigen Lösungsmittel verarbeitet werden kann: Wasser. Zwar gibt es bereits andere wasserlösliche Bindemittel, doch diesen fehlt es an der Festigkeit und Haltbarkeit, die für Hochleistungsbatterien erforderlich sind, erklärte Chen.
Das neue Bindemittel besteht aus zwei kostengünstigen und weit verbreiteten Polymeren. Polyacrylsäure sorgt dafür, dass sich die Mischung während der Herstellung gleichmäßig verteilt, und verleiht ihr Flexibilität. Carboxymethylcellulose, ein pflanzlicher Stoff, der häufig in Lebensmitteln und Papierprodukten verwendet wird, sorgt hingegen für Festigkeit und Klebrigkeit.
Die Polymere wurden zunächst in Wasser gelöst. Anschließend fügten die Forscher Zitronensäure hinzu – eine natürlich vorkommende Säure, die in Zitrusfrüchten enthalten ist –, um die Polymere chemisch miteinander zu verknüpfen. Das Ergebnis ist ein dichtes Netzwerk, das durch verschiedene Arten chemischer Bindungen zusammengehalten wird, die sich gegenseitig verstärken. Dadurch erhält dieses Bindemittel die Festigkeit, Flexibilität, Stabilität und Haftkraft, die erforderlich sind, um mit herkömmlichen fluorhaltigen Bindemitteln mithalten zu können.
Herstellung und Recycling von Batterien mit dem neuen Bindemittel
Batterien, die mit dem neuen fluorfreien Bindemittel hergestellt wurden, zeigten die gleiche Anfangsleistung wie herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien. Sie behielten ihre Kapazität sogar nach Hunderten bis Tausenden von Ladezyklen länger bei. Das Bindemittel war zudem mit verschiedenen Elektrodenarten kompatibel, darunter Lithium-Eisenphosphat-Kathoden (LFP), nickelreiche Kathoden, Graphitanoden und Siliziumanoden.
Das neue Bindemittel könnte zudem das Batterierecycling vereinfachen. Anstatt es – wie bei fluorhaltigen Bindemitteln – mit aggressiven Chemikalien und hohen Temperaturen zu entfernen, zerlegten die Forscher die Batterie einfach und legten die Elektroden in Wasser ein. Dadurch löste sich das Bindemittel auf, und die Elektrodenbeschichtungen ließen sich rückstandsfrei von den Metallfolien ablösen. Die zurückgewonnenen Elektrodenmaterialien wurden anschließend mittels direkter Recyclingverfahren regeneriert und zum Bau neuer Batterien verwendet.
Diese recycelten Batterien zeigten eine ebenso gute Leistung wie solche, die aus Elektrodenmaterialien hergestellt wurden, die aus Batterien mit herkömmlichen fluorhaltigen Bindemitteln zurückgewonnen wurden.
Zu den nächsten Schritten gehört die Skalierung der Bindemittelproduktion für die kommerzielle Fertigung. Die Forscher arbeiten nun daran, das Bindemittel für verschiedene Batteriechemien zu optimieren, um deren Leistung zu verbessern. Chen und sein Team planen, das Bindemittel in Zusammenarbeit mit Industriepartnern zu vermarkten.
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