Spülen und wiederholen: Eine einfache neue Möglichkeit, Batterien zu recyceln, ist da

Jul 25, 2023

Lithium-Ionen-Batterien haben die Elektronik revolutioniert und einen beschleunigten Wandel hin zu sauberer Energie ermöglicht. Diese Batterien sind zu einem festen Bestandteil des Lebens im 21. Jahrhundert geworden, aber es besteht die Gefahr, dass sie vor 2050 erschöpft sind. Die in jeder Batterie verwendeten Hauptelemente – Lithium, Nickel und Kobaltmetalle sowie Graphit – werden immer knapper und teurer. und für einige der verbleibenden internationalen Lieferketten gibt es kaum eine Umwelt- oder Arbeitsschutzaufsicht.

Es besteht ein dringender Bedarf, mit der Wiederverwendung der bereits ausgegrabenen Materialien zu beginnen und den Batterieproduktionsprozess für alle sicherer und gerechter zu gestalten. Ein Team von Wissenschaftlern des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hat ein preisgekröntes neues Batteriematerial erfunden, das beide Kriterien erfüllen kann. Ihr Produkt namens Quick-Release Binder macht es einfach und kostengünstig, die wertvollen Materialien in Li-Ionen-Batterien von den anderen Komponenten zu trennen und für die Wiederverwendung in einer neuen Batterie zurückzugewinnen.

„Wir kommen an den Punkt, an dem das Recycling von Batterien erforderlich sein wird“, sagte Projektleiter Gao Liu, leitender Wissenschaftler im Bereich Energietechnologien des Berkeley Lab und Mitglied des Berkeley Lab Energy Storage Center. „Wenn wir nicht aufhören, sie zu verbrennen und in den Müll zu werfen, werden uns in den nächsten zehn Jahren die Ressourcen ausgehen. Ansonsten ist es einfach unmöglich, mit der Anzahl der vom Markt geforderten Batterien Schritt zu halten. Es gibt einfach nicht genug Kobalt, nicht genug Nickel – wir müssen recyceln.“ Eine mit Quick-Release-Binder hergestellte Batterie muss einfach geöffnet, in alkalisches Wasser mit Raumtemperatur gelegt und leicht geschüttelt werden. Die abgetrennten Elemente lassen sich leicht aus dem Wasser filtern und an der Luft trocknen.

Dies ist ein scharfer Kontrast zum aktuellen Li-Ionen-Recycling, bei dem Batterien zunächst geschreddert und gemahlen und anschließend verbrannt werden, um die Metalle von den anderen Bestandteilen zu trennen. Recyclingunternehmen streben danach, ihre Prozesse so effizient wie möglich zu gestalten. Aufgrund der früheren und aktuellen Konstruktion der meisten Batterien ist die Rückgewinnung der Elemente jedoch immer noch energieintensiv und teuer und setzt giftige Chemikalien frei, die sorgfältig gehandhabt werden müssen.

Teammitglieder (im Uhrzeigersinn von oben links) Robert Kostecki, Abteilungsleiter, Abteilung Energiespeicherung und verteilte Ressourcen; Gao Liu, leitender Forscher, Liu Lab; Chen Fang, Postdoktorand; Muhammad Ihsan Ul Haq, Postdoktorand (Quelle: Marilyn Sargent/Berkeley Lab)

Liu und sein Team im Berkeley Lab Energy Storage Center arbeiteten an Lithium-Schwefel-Batterien – einer der möglichen Alternativen zu herkömmlichen Li-Ionen-Batterien, die derzeit entwickelt werden – als sie den Quick-Release-Binder entwickelten. Lithium-Schwefel-Batterien sind ein heißes Konzept in der Welt der Batterieforschung und -entwicklung, da sie ohne seltenes Kobalt hergestellt werden können und eine höhere theoretische Energiedichte als Li-Ionen haben. Bevor die Batterien kommerziell eingesetzt werden können, müssen jedoch zahlreiche Funktionsprobleme gelöst werden. Der Quick-Release-Binder würde Li-S-Batterien leicht recyceln lassen und scheint eines der größten Leistungsprobleme zu lösen. Diese Entdeckung ist an sich schon ziemlich aufregend, aber Chen Fang, ein Postdoktorand in Lius Labor, erkannte, dass ihr neues Bindemittelmaterial noch größeres Potenzial hatte: Es könnte auch in heutigen Li-Ionen-Batterien verwendet werden.

Bindemittel sind klebstoffähnliche Substanzen, die in den meisten Batterietypen verwendet werden, einschließlich Li-Ionen- und Alkalibatterien, die wir in Haushaltsgegenständen verwenden. Batterien verfügen über zwei Elektroden – die positiv geladene Kathode und die negativ geladene Anode – aus leitfähigen Chemikalien, die elektrischen Strom erzeugen, und Strukturmaterialien, die die aktiven Inhaltsstoffe für eine gleichmäßige und dauerhafte Leistung an Ort und Stelle halten. Bindemittel binden, wie der Name schon sagt, diese Inhaltsstoffe zusammen und tragen dazu bei, die Architektur der Batterie aufrechtzuerhalten.

Der neue Quick-Release-Binder besteht aus zwei kommerziell erhältlichen Polymeren, Polyacrylsäure (PAA) und Polyethylenimin (PEI), die durch eine Bindung zwischen positiv geladenen Stickstoffatomen in PEI und negativ geladenen Sauerstoffatomen in PAA miteinander verbunden sind. Wenn das feste Bindemittel in alkalisches Wasser mit Natriumhydroxid (Na+OH–) gegeben wird, dringt das Natriumion in die Bindungsstelle ein und bricht die beiden Polymere auseinander. Die abgetrennten Polymere lösen sich in der Flüssigkeit auf und lösen alle darin eingebetteten Elektrodenkomponenten.

Das Bindemittel kann zur Herstellung von Anoden und Kathoden verwendet werden und kostet etwa ein Zehntel des Preises von zwei der am häufigsten verwendeten kommerziellen Bindemittel. „[In unserer jüngsten Forschung] haben wir gezeigt, dass der gesamte Prozess im Labormaßstab sehr einfach ist und wir sehen keinen Grund, warum er im industriellen Maßstab nicht genauso gut funktionieren sollte“, sagte Fang. Er fügte hinzu, dass das Team glaubt, dass das Material für Batterien aller Größen verwendet werden kann, von den kleinen in Mobiltelefonen bis hin zu den extragroßen Batterien, die zur Speicherung von Notstrom im Stromnetz des Landes eingesetzt werden.

Ende September wurde die Technologie bei den R&D 100 Awards als eine der 100 revolutionärsten Technologien ausgezeichnet, die im Jahr 2022 weltweit entwickelt wurden.

Das Team arbeitet nun mit Steve Sloop, einem Batterierecycling-Entwickler und Gründer von OnTo Technologies, zusammen, um die Tests des Produkts abzuschließen und es auf den Markt zu bringen. Frühere Experimente haben gezeigt, dass das Bindemittel bei hohen und niedrigen Spannungen äußerst stabil ist. Sie planen nun, Prototypen von Li-Ionen-Batterien mit dem Bindemittel zu bauen, um seine Leistung umfassend zu analysieren und seine Funktionalität zu demonstrieren.

Wenn diese Tests gut verlaufen, rechnen die Wissenschaftler mit einem reibungslosen Übergang zur kommerziellen Fertigung. „Es gibt kein grundsätzliches Hindernis, den aktuellen Herstellungsprozess auf die Verwendung des Bindemittels umzustellen, da dies die Herstellung tatsächlich aus demselben Grund vereinfacht, aus dem es das Recycling vereinfacht – man kann Wasser anstelle aggressiver Lösungsmittel verwenden“, sagte Chen. Um neue Batterien herzustellen, verarbeiten Hersteller Bindemittel mit chemischen Lösungsmitteln, um eine Aufschlämmung mit allen Elektrodenkomponenten zu erzeugen, die dann in der gewünschten Form und Dicke auf Elektrodenfolien aufgetragen wird. „Das bedeutet, dass die derzeitigen Hersteller zusätzliche Instrumente oder Einrichtungen einrichten müssen, um die Arbeiter vor giftigen Lösungsmitteldämpfen zu schützen und eine sichere Entsorgung des Lösungsmittels zu gewährleisten.“ Der Quick-Release-Binder würde diese Schritte überflüssig machen.

Laut Sloop stellt der Quick-Release Binder einen Paradigmenwechsel im Batteriedesign dar. Anstatt fortschrittliche Batterien zu entwickeln und zu versuchen, nachträglich einen Recyclingprozess zu entwickeln, war Lius Team das erste, das „Designs für das Recycling“ entwickelte.

„Das tolle Merkmal des Bindemittels ist, dass es mit einer kostengünstigen, umweltfreundlichen Verarbeitung ‚entpackt‘ werden kann, was uns allen zugutekommt, indem es die wirtschaftliche und ökologische Nachhaltigkeit fortschrittlicher Batteriesysteme verbessert“, sagte Sloop. „Es ist auch eine große Errungenschaft, dass die Batterien keine Perfluor- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) enthalten – die Verbindungsfamilie, die zur Herstellung von Antihaftbeschichtungen und vielen anderen Produkten verwendet wird, aber es ist außerordentlich wichtig für die Zukunft.“ Die Kunden wollen sie nicht, da sich ein Zusammenhang mit Gesundheitsproblemen abzeichnet, und ich denke, dass die Regulierungsbehörden bald zustimmen werden, dass wir diese Chemikalien nicht weiterhin verwenden dürfen.“

Mit Blick auf die Zukunft treffen sich Liu und Sloop mit Batterieunternehmen und Bindemittelherstellern, um die Kommerzialisierung zu besprechen. Sie hoffen, die Quick-Release-Technologie lizenzieren zu können, damit sie in allen großen Li-Ion-Marken eingesetzt werden kann. Eines Tages könnte die Erfindung des Teams in allen Batterien unter unseren Dächern und unter unseren Motorhauben stecken – so dass die verbleibenden Seltenerdmetalle unter der Erde bleiben.

Die Entwicklung des Quick-Release-Bindemittels wurde vom Office of Energy Efficiency and Renewable Energy des Department of Energy und OnTo Technologies unterstützt. Die Technologie steht jetzt zur Lizenzierung zur Verfügung, indem Sie sich an [email protected] wenden.

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Das Lawrence Berkeley National Laboratory und seine Wissenschaftler wurden 1931 mit der Überzeugung gegründet, dass die größten wissenschaftlichen Herausforderungen am besten von Teams bewältigt werden können, und wurden mit 16 Nobelpreisen ausgezeichnet. Heute entwickeln Forscher des Berkeley Lab nachhaltige Energie- und Umweltlösungen, schaffen nützliche neue Materialien, erweitern die Grenzen der Computertechnik und erforschen die Geheimnisse des Lebens, der Materie und des Universums. Wissenschaftler aus der ganzen Welt verlassen sich für ihre eigenen wissenschaftlichen Entdeckungen auf die Einrichtungen des Labors. Berkeley Lab ist ein nationales Multiprogrammlabor, das von der University of California für das Office of Science des US-Energieministeriums verwaltet wird.