Die Herausforderungen beim Recycling von Lithiumbatterien

Lithiumbatterien, die nicht ordnungsgemäß recycelt werden, können giftige Metalle in die Umwelt freisetzen, die dann in die Lunge eingeatmet werden und Gesundheitsprobleme wie Herz-Kreislauf- und Lungenerkrankungen verursachen können.

Die meisten Lithiumbatterien werden recycelt, indem sie in Pulverform zerkleinert werden, bevor sie entweder geschmolzen (Pyrometallurgie) oder in Säure aufgelöst werden (Hydrometallurgie). Beide Verfahren verbrauchen enorme Mengen an Energie und geben Treibhausgase an die Umwelt ab.

Recyceltes Kathodenpulver ist poröser als kommerziell hergestelltes Kathodenpulver

Die Kathoden sind das Herzstück jeder Lithium-Ionen-Batterie und verantwortlich für ihre Spannung und Leistung. Um qualitativ hochwertige Kathoden herzustellen, müssen die Materialien eine hohe Porosität aufweisen (eine Oberfläche, die es den Lithiumionen ermöglicht, sich zwischen Anode und Kathode zu bewegen). Porösere Kathoden bedeuten also eine größere Energiespeicherkapazität - in einer Studie wurde festgestellt, dass recyceltes Kathodenpulver poröser war als kommerziell hergestelltes Kathodenpulver und es daher möglich war, dass Batterien, die mit recyceltem Material zusammengebaut wurden, eine ähnliche Leistung aufwiesen wie Batterien, die aus neuen Materialien hergestellt wurden.

Die Forschungsarbeiten wurden an der University of California, Irvine, von Forschern unter der Leitung von Nikhil Gupta durchgeführt. Aufbauend auf früheren Arbeiten, die zeigten, dass die Verwendung von recyceltem Kathodenmaterial die Batterieleistung erhöhen und die Betriebsdauer von Lithium-Ionen-Batterien verlängern kann, verwendeten sie ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Kathodenpulver, das mehr als dreimal poröser ist als die herkömmliche Methode. Scheren, Mahlen, Säureauslaugung, Sortierung nach Partikelgröße und Chemie und Verarbeitung führen zu Hochleistungskathoden, die dann mit flüssigen Elektrolyten gemischt und verarbeitet werden, bevor sie wieder zu Hochleistungskathoden gemischt werden, die im Vergleich zu herkömmlichen Produktionsmethoden aus recycelten Quellen länger im Einsatz bleiben.

Lithium-Ionen-Batterien benötigen einen flüssigen Elektrolyten, um Ionen zwischen Anode und Kathode zu leiten, den so genannten Elektrolyten. Dieses Element, das in der Regel aus anorganischem Salz besteht, das in nichtwässrigen organischen Lösungsmitteln wie Propylencarbonat oder Mischungen von Ethylencarbonaten mit aliphatischen Carbonaten wie Dimethyl-, Diethyl- und Ethylmethylcarbonaten gelöst ist, spielt eine wesentliche Rolle für die Leistung der Batterie. Für eine optimale Batterieleistung muss es eine Grenzfläche mit geringem Widerstand für eine effiziente Batterieleistung gewährleisten - die Auswahl des Elektrolyten ist von entscheidender Bedeutung für die Batterieleistung.

Beim Recycling von Lithiumbatterien werden diese traditionell mechanisch zerkleinert und eingeschmolzen oder in Säure aufgelöst. Leider benötigen diese Verfahren übermäßig viel Strom und führen zu einer unhandlichen Masse von Metallen, die sich nur schwer recyceln lassen. Diese Forschung schlägt stattdessen das "direkte Kathodenrecycling" vor, eine energiesparende Alternative.

Beim direkten Kathodenrecycling wird eine Batterie in ihre einzelnen Elemente zerlegt und diese nach ihren physikalischen Eigenschaften sortiert. Zunächst erfolgt eine Scherung unter inerter Atmosphäre; anschließend werden die Materialien zerkleinert und zu feinen Fraktionen gemahlen, um sie zu trennen und zu reinigen. Bei diesem Verfahren werden Verunreinigungen wie Aluminium und Kupfer, die die Leistung beeinträchtigen könnten, sowie Übergangsmetallionen wie Ni2+ und Co2+ aus der Lösung entfernt, so dass nur Lithiumsalze und Graphit als Ausgangsprodukte zurückbleiben.

Es ist billiger als neues Kathodenpulver

Lithium-Ionen-Batterien, die in Elektroautos und Smartphones, aber auch in Kinderspielzeug, E-Zigaretten und Laptops verwendet werden, können oft recycelt werden. Allerdings ist das Verfahren oft mühsam und kostspielig, was viele Unternehmen davon abgehalten hat, ein Recyclingunternehmen zu gründen.

Lithiumbatterien werden aus verschiedenen Materialien hergestellt, darunter Kupfer und Kobalt. Diese Metalle sind zwar für die Batterieherstellung unerlässlich, ihre Gewinnung kann jedoch aufgrund der Produktion giftiger Abfälle gefährlich sein und trägt durch die Emission von Treibhausgasen während des Abbaus zum Klimawandel bei. Das Batterierecycling bietet eine Lösung, um die Nachfrage nach diesen Ressourcen zu senken und gleichzeitig die Umweltauswirkungen zu verringern.

Recycling kann dazu beitragen, unsere wertvollen Ressourcen zu schützen, indem sie nicht auf Mülldeponien landen, wo sie die Umwelt schädigen könnten, und den Energieverbrauch für die Herstellung von Rohstoffen zu senken, deren Produktion teure Energie erfordert (was zu den Treibhausgasemissionen beiträgt), oder die Ausbeutung von Arbeitern in der Dritten Welt zu vermeiden, die unter unsicheren Bedingungen nach Kobalt oder anderen Mineralien graben.

Die typische Methode für das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien besteht in der Zerkleinerung und Reinigung ihrer Bestandteile, um die Kathode zu gewinnen. Leider ist dies sowohl teuer als auch ineffektiv bei der Herstellung von Qualitätsprodukten. Glücklicherweise entwickeln Forscher alternative Verfahren, bei denen die Kathoden intakt bleiben, so dass sie unversehrt verkauft werden können; diese Verfahren werden wesentlich kostengünstiger und umweltfreundlicher sein als die herkömmlichen.

Lithium-Ionen-Batterien können zwar häufig recycelt werden, aber mit jedem Zyklus kann sich ihr Reinheitsgrad etwas verringern. Daher wird den Verbrauchern empfohlen, eine örtliche Rücknahmestelle für gebrauchte Lithiumbatterien zu finden. Obwohl sie für die alltägliche Entsorgung in der Mülltonne sicher genug sind, enthalten Lithium-Ionen-Batterien schädliche Chemikalien, die nahe gelegene Gegenstände angreifen können, wenn sie zu lange herumliegen. Eine sichere Entsorgung kann daher durch die Inanspruchnahme eines geeigneten Recyclingdienstes oder durch Rücksprache mit dem Hersteller gewährleistet werden.

Es ist sicherer als neues Kathodenpulver

Lithiumbatterien sind zu einem integralen Bestandteil von Elektrofahrzeugen und anderen Produkten mit sauberer Energie geworden. Sie müssen jedoch verantwortungsvoll recycelt werden, damit sie nicht zu einer Brandgefahr werden oder giftige Chemikalien in die Umwelt gelangen. Anstatt Batterien wegzuwerfen, sollten sie bei den Batterie-Recyclingzentren abgegeben werden. Blaue oder gelbe Recycling-Tonnen könnten die Batterien bei der Verarbeitung beschädigen und ein Brandrisiko darstellen; stattdessen sollten sie bei einem der sieben Home Chemical and Battery Recycling Centers abgegeben werden.

Diese Zentren sind auf das Recycling von Lithiumbatterien spezialisiert, die in Produkten wie Elektrowerkzeugen, Digitalkameras, Kinderspielzeug, E-Zigaretten und Laptops enthalten sind. Außerdem bieten sie sichere Entsorgungslösungen für größere Wattstundenbatterien, die in Autos oder Haushalten verwendet werden, können aber keine kleineren Wattstundenbatterien annehmen, da diese zu gefährlich sind. Wenn Sie eine dieser großen Wattstundenbatterien besitzen und sie recyceln möchten, besuchen Sie eines der sieben Recyclingzentren!

Beim Recycling einer Lithiumbatterie wird diese zunächst zerkleinert und die weniger teuren Komponenten, wie das Stahlgehäuse der Batterie und die elektronischen Schaltkreise, von der Kathode getrennt. Dann extrahieren die Wissenschaftler Elemente, darunter die "Schwarze Masse", ein Extrakt aus Nickel, Kobalt, Aluminium und Mangan, das seltene und teure Metalle enthält. Dieses Pulver kann dann wieder aufbereitet und mit neuen Elementen gemischt werden, um die Leistung zu verbessern, wodurch seltene Metalle eingespart werden, die sonst verloren gegangen wären.

Das Recycling von Lithiumbatterien ist eine weitere gute Möglichkeit, der weltweiten Verknappung von wichtigen Mineralien wie Kobalt und Nickel entgegenzuwirken, bei denen es regelmäßig zu Lieferengpässen kommt, die die Effizienz und Lebensdauer von Elektrofahrzeugen gefährden. Recycling kann auch dazu beitragen, globale Mineralienknappheit wie diese zu bekämpfen, indem es hilft, den globalen Bedarf direkter zu decken.

Dieses Verfahren ähnelt den üblichen pyrometallurgischen Techniken, erfordert jedoch weniger Energie und Abfallproduktion als andere Recyclingtechniken. Als wirksame Alternative zur Pyrometallurgie - die in der Regel viel Energie verbraucht und giftige Nebenprodukte erzeugt - und zur Hydrometallurgie (bei der Metalle auf chemischem Wege zurückgewonnen werden) weist dieses Verfahren höhere Rückgewinnungsraten für Metalle auf als diese Verfahren allein.

Es ist umweltfreundlicher

Das Recycling von Batterien kann dazu beitragen, die Umweltauswirkungen von Elektrofahrzeugen und Geräten, die Lithiumbatterien verwenden (z. B. Laptops), zu verringern. Das Recycling kann wertvolle Materialien erhalten, erneuerbare Energiequellen bereitstellen und den Bedarf an Bergbau verringern, während gleichzeitig die Abfallmenge auf den Deponien reduziert wird. Leider ist das Recycling von Batterien jedoch nicht ganz unproblematisch.

Um recycelt werden zu können, müssen die Batterien zunächst vollständig entladen werden, da Lithiumbatterien gefährlich sind, wenn sie nicht in der Schwebe bleiben. Sobald sie für das Recycling bereit sind, sollten sie zerlegt und in kleine Stücke geschreddert werden, bevor sie geschmolzen oder aufgelöst werden, um ihre Metalle zurückzugewinnen - bei diesem Verfahren kann Staub in der Luft entstehen, der die Umgebung verunreinigt und zu Atemwegserkrankungen führen kann; Lithium gilt als gefährliches Metall, daher ist auch hier Vorsicht geboten.

Forscher an der Faraday Institution im Vereinigten Königreich leisten nun Pionierarbeit bei einer neuartigen Methode zum Recycling von Lithiumbatterien, bei der eine Ultraschallsonde verwendet wird, "ähnlich der, die Zahnärzte zur Zahnreinigung einsetzen", so Gupta. Durch die Fokussierung des Ultraschalls auf die Oberfläche entstehen winzige Bläschen, die implodieren und die Beschichtung absprengen, so dass Kathoden und Anoden zurückgewonnen werden können, die einen hohen Geldwert haben.

Außerdem hilft das Recycling der Umwelt, indem es die Kohlenstoffemissionen aus dem Bergbau reduziert. Nach Schätzungen des McKinsey-Instituts könnte ein weit verbreitetes Batterierecycling die Kohlenstoffemissionen um 25% pro Kilowattstunde verringern. Für ein erfolgreiches Batterierecycling muss die Gewinnung wertvoller Metalle ohne Beschädigung von Kathode oder Anode gelingen.

Lithiumbatterien enthalten Edelmetalle wie Nickel und Kobalt, die sowohl in Elektrofahrzeugen als auch in elektronischen Geräten verwendet werden. Es ist jedoch wichtig, daran zu denken, dass sie niemals in blaue oder gelbe Recyclingtonnen gegeben werden sollten - diese Brandgefahr muss in speziellen Recyclinganlagen beseitigt werden. Wenn Sie Lithiumbatterien aus irgendeinem Grund recyceln müssen, wickeln Sie die Pole einfach in nicht leitendes Klebeband (Elektro-, Verpackungs- oder Klebeband) ein, bevor Sie sie bei einem der sieben Home Chemical and Recycling Centers der Behörde oder bei Einzelhändlern abgeben, die sie zum Recycling annehmen.