Neue Methode gewinnt batteriefertiges Lithiumhydroxid aus verbrauchten Zellen

Während die Welt sich schnell in Richtung Elektrofahrzeuge bewegt, wird die Frage, wie mit dem wachsenden Berg an verbrauchten Batteriepacks umzugehen ist, immer dringlicher. Lithium, ein kritischer Bestandteil dieser Batterien, ist schwer und teuer abzubauen und zu veredeln, und eine saubere Wiederverwertung stellt eine anhaltende Herausforderung dar. Traditionelle Recyclingmethoden basieren stark auf dem Schmelzen oder aggressiven chemischen Behandlungen, die oft Lithiumcarbonat anstelle des begehrteren Lithiumhydroxids produzieren. Dieses Carbonat muss dann weiter umgewandelt werden, bevor es von Batterieherstellern wiederverwendet werden kann, was zusätzliche Schritte, Kosten und Abfall verursacht.\n\nEin Team von Ingenieuren der Rice University hat das Recyclingproblem neu betrachtet und eine ziemlich einfache Frage gestellt: Warum nicht Lithium auf die gleiche Weise recyceln, wie es beim Laden der Batterie freigesetzt wird? Diese Erkenntnis führte zu einer neuen Methode, die die üblichen Hochtemperatur- oder aggressiven Säurebehandlungen überspringt. Ihr Verfahren verwendet einen elektrochemischen Reaktor, der die Chemie der Batterie nachahmt und Lithiumionen aus verbrauchten Kathodenmaterialien wie Lithiumeisenphosphat durch Anlegen eines elektrischen Stroms herauszieht. Diese Lithiumionen wandern dann durch eine dünne Membran in Wasser, wo sie sofort mit Hydroxidionen reagieren, die an der Gegenelektrode erzeugt werden, und hochreines Lithiumhydroxid bilden. Es werden keine zusätzlichen Chemikalien benötigt.\n\nDieser Ansatz ist sehr elegant, da er nur Strom, Wasser und den Batterieabfall – üblicherweise als schwarze Masse bezeichnet – verwendet, um Lithiumhydroxid direkt aus der Quelle zu produzieren. Der Prozess ist auch energieeffizient und verbraucht nur etwa 103 Kilojoule pro Kilogramm schwarzer Masse, was etwa zehnmal weniger ist als herkömmliche Säureauslaugverfahren (ohne die zusätzlichen Verarbeitungsschritte dieser Methoden). Wichtig ist, dass das Team nicht nur Laborexperimente durchführte. Sie führten einen 1.000-Stunden-Dauertest an einem kompakten 20-Quadratzentimeter-Reaktor durch und verarbeiteten erfolgreich 57 Gramm industrieller schwarzer Masse, die von TotalEnergies bereitgestellt wurde.\n\nDas resultierende Lithiumhydroxid war über 99 % rein, und der Prozess erreichte während des Tests eine Lithiumrückgewinnung von fast 90 %. Außerdem zeigte die Technik Vielseitigkeit, indem sie gut mit verschiedenen Batteriematerialien funktionierte, darunter Lithium-Mangan-Oxid und mehrere Nickel-Mangan-Kobalt-Mischungen. Sie demonstrierten sogar einen Roll-to-Roll-Prozess, bei dem ganze Lithiumeisenphosphat-Elektroden, noch auf ihrer Aluminiumfolie, direkt verarbeitet wurden, ohne dass ein Abkratzen oder eine Vorbehandlung nötig war. Diese Roll-to-Roll-Demonstration zeigt, wie die Technologie in automatisierte Batteriedemontagelinien integriert werden könnte, um das Recycling zu vereinfachen.\n\nFür die Zukunft plant das Team, durch Stapelung von Reaktoren größere Mengen zu verarbeiten, die Beladung mit schwarzer Masse pro Durchgang zu erhöhen und selektivere Membranen zu entwickeln, die Wasser besser abweisen. Außerdem wollen sie die Nachbearbeitungsschritte zur Konzentration und Kristallisation des Lithiumhydroxids verbessern, um den Energieverbrauch und die Emissionen weiter zu senken. Die Forscher sind überzeugt, dass sie durch die Bewältigung dieser nächsten Herausforderungen das Lithiumrecycling sauberer, einfacher und nachhaltiger machen und damit die Lieferkette für neue Batterien stärken können.\n\nIhre Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Joule veröffentlicht und markieren einen bedeutenden Fortschritt in der Batterierecyclingtechnologie. Diese Innovation verkürzt nicht nur den Weg, auf dem Lithium in neue Batterien für Elektrofahrzeuge zurückkehrt, sondern reduziert auch Abfall und Umweltauswirkungen und bietet eine vielversprechende Lösung, während die Nachfrage nach sauberer Energiespeicherung weltweit weiter wächst.