Lithium-Ionen-Batterien (LIBs), die Energie speichern und dabei die reversible Reduktion von Lithium-Ionen nutzen, versorgen die meisten heute auf dem Markt erhältlichen Geräte und Elektronikgeräte mit Strom. Aufgrund ihres breiten Betriebstemperaturbereichs, ihrer langen Lebensdauer, ihrer geringen Größe, ihrer schnellen Ladezeiten und ihrer Kompatibilität mit bestehenden Herstellungsprozessen können diese wiederaufladbaren Batterien einen großen Beitrag zur Elektronikindustrie leisten und gleichzeitig die laufenden Bemühungen um CO2-Neutralität unterstützen.

Das kostengünstige und umweltfreundliche Recycling gebrauchter LIBs ist ein seit langem angestrebtes Ziel im Energiesektor, da es die Nachhaltigkeit dieser Batterien verbessern würde. Bestehende Methoden sind jedoch oft ineffektiv, teuer oder umweltschädlich.

Darüber hinaus sind LIBs stark auf Materialien angewiesen, die auf der Erde immer seltener vorkommen, wie etwa Kobalt und Lithium. Ansätze, die eine zuverlässige und kostengünstige Gewinnung dieser Materialien aus Altbatterien ermöglichen, würden die Notwendigkeit, diese Materialien anderswo zu beziehen, drastisch reduzieren und so dazu beitragen, den wachsenden LIB-Bedarf zu decken.

Forscher der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben kürzlich einen neuen Ansatz entwickelt, der auf der sogenannten Kontaktelektrokatalyse basiert und das Recycling verbrauchter LIB-Zellen ermöglichen könnte. Ihre in Nature Energy vorgestellte Methode nutzt die Übertragung von Elektronen, die während der Kontaktelektrisierung zwischen Flüssigkeit und Feststoff stattfindet, um freie Radikale zu erzeugen, die gewünschte chemische Reaktionen auslösen.

„Mit dem globalen Trend zur CO2-Neutralität steigt die Nachfrage nach LIBs kontinuierlich“, schreiben Huifan Li, Andy Berbille und ihre Kollegen in ihrem Artikel. „Die derzeitigen Recyclingmethoden für verbrauchte LIBs müssen jedoch im Hinblick auf Umweltfreundlichkeit, Kosten und Effizienz dringend verbessert werden. Wir schlagen eine mechanokatalytische Methode vor, die als Kontaktelektrokatalyse bezeichnet wird und bei der durch Kontaktelektrifizierung erzeugte Radikale genutzt werden, um die Metallauslaugung zu fördern.“ Unter der Ultraschallwelle nutzen wir dabei auch SiO2 als recycelbaren Katalysator.“

Im Rahmen ihrer aktuellen Studie untersuchten Li, Berbille und ihre Kollegen die Möglichkeit, dass die Kontaktelektrokatalyse chemische Mittel ersetzen könnte, die normalerweise zum Recycling von LIBs verwendet werden. Zu diesem Zweck nutzten sie die Technik, um durch Kavitationsblasen unter Ultraschallwellen einen kontinuierlichen Fest-Flüssigkeits-Kontakt und eine Trennung herbeizuführen.

Dies ermöglichte die ständige Erzeugung von reaktivem Sauerstoff durch die Elektrifizierung von Kontakten. Anschließend bewerteten sie die Wirksamkeit dieser Strategie für das Recycling von Lithium und Kobalt in abgenutzten LIBs.

„Bei Lithium-Kobalt(III)-Oxid-Batterien erreichte die Auslaugungseffizienz bei 90 °C innerhalb von sechs Stunden 100 % für Lithium und 92,19 % für Kobalt“, schreiben Li, Berbille und ihre Kollegen in ihrer Arbeit. „Für ternär LithiumbatterienDie Laugungseffizienz von Lithium, Nickel, Mangan und Kobalt erreichte innerhalb von sechs Stunden 94,56 %, 96,62 %, 96,54 % bzw. 98,39 % bei 70 °C.

In ersten Tests erzielte der von diesem Forscherteam vorgeschlagene Ansatz vielversprechende Ergebnisse und verdeutlichte sein Potenzial zur Unterstützung des kostengünstigen, nachhaltigen und groß angelegten Recyclings der teuren und begehrten Materialien in LIBs. Zukünftige Studien könnten dazu beitragen, diese Methode zu perfektionieren und gleichzeitig ihre Vorteile und Grenzen weiter zu bewerten und möglicherweise den Weg für ihren Einsatz in realen Umgebungen zu ebnen.

„Wir gehen davon aus, dass diese Methode einen umweltfreundlichen, hocheffizienten und wirtschaftlichen Ansatz für das LIB-Recycling bieten und die exponentiell wachsende Nachfrage nach LIB-Produktionen decken kann“, schreiben die Forscher in ihrer Arbeit.