ZSW-Forscher entwickeln Verfahren für direktes Kathoden- und Anoden-Recycling

Nickel, Mangan und Kobalt, gebündelt in Kristallstruktur, sind die Materialen die meisten in den Kathoden von Lithium-Ionen-Batterien vorkommen. Beim Recycling werden zwar häufig die Materialien zurückgewonnen, aber dafür die Materialstruktur zerstört. Am ZSW ist man da jetzt einen Schritt weiter gekommen.

5. September 2022 Marian Willuhn

Mit den reaktivierten Anode- und Kathodenmaterialien hat das RecycleMat-Team des ZSW Pouchzellen gebaut und eine LED-Lichterkette betrieben. Projektleiterin Marilena Mancini hält die Zelle in der Hand. Neben ihr, Jan Martin, wissenschaftlicher Mitarbeiter.

Foto: ZSW

Mit einem neuen Recyclingverfahren können 95 Prozent der aktiven Materialien in einer Lithium-Ionen-Batterie zurückgewonnen werden. Das liegt deutlich über den aktuell marktüblichen erzielten Rückgewinnungsquoten. Der Durchbruch gelang einem Team am Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung (ZSW) Baden-Württemberg.

Im Projekt „RecycleMat“ haben Forschende an verbesserten Verfahren für das Batterierecycling gearbeitet. Mit Hydrometallurgie und Pyrometallurgie, die zwei Verfahren mit denen Batterien bisher recycelt werden, können hauptsächlich die besonders teuren Kathodenmaterialien Nickel, Mangan und Kobalt zurückgewonnen werden. Allerdings auch nur in isolierter Form. Die wertvolle Kathodenverbindung wird dabei aufgebrochen.

Bei der Pyrometallurgie werden die Batterien verbrannt. Dabei entsteht eine Schlacke aus Aluminium, Lithium und Mangan. Bisher wird diese Schlacke nicht weiter genutzt – das Lithium geht verloren. Grafit, das auf den Anoden klebt, verbrennt bei dem Vorgang und kann nicht wiedergewonnen werden. Die anderen Materialen, vor allem die Kathoden, bleiben als sogenannte Schwarze Masse zurück. Mit verschiedenen Säuren können die einzelnen Metalle aus der Schwarzen Masse isoliert gebunden werden. Danach können die Metalle zur Produktion einer neuen Kathode verwendet werden.

Bei der Hydrometallurgie werden die Batterie geöffnet und zerlegt bevor sie mit Säure behandelt werden, um die Materialien zu gewinnen. Aber auch hier geht Grafit und Kathodenstruktur verloren. Die Herstellung der Kathodenmaterialien ist einer der energieintensiveren Schritte bei der Batterieproduktion. Die Struktur zu erhalten, ist aus gleich aus mehreren Gründen wünschenswert. „Das neue Recyclingverfahren ermöglicht es, ausrangierte Batterieelektroden mit einer Kathodenstruktur aus den heute gängigen Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxiden und einer Anode aus Graphit zu reaktivieren und dann direkt in neuen Zellen einzusetzen“, erklärt Marilena Mancini, wissenschaftliche Leiterin des Projekts.

Dem ZSW-Team zufolge werden die Batterien einer „komplexen Temperaturbehandlung“ unterzogen. Das soll die einzelnen Partikel von Verunreinigungen befreien, ohne sie dabei zu zerstören. Die kristalline Struktur von Anode und Kathode werden bei der Temperaturbehandlung wieder hergestellt.

Das Grafit, was die Forschenden durch dieses Verfahren zurückgewinnen konnte, verfügte nach der Behandlung über 95 Prozent seines ursprünglichen, spezifischen Energiegehalts. Ähnlich erfolgreich war das Team bei den Kathoden. Das zurückgewonnene Kathodenmaterial verfügte über 90 Prozent der ursprünglichen Kapazität. Nach der Wärmebehandlung ist die Kathode als Pulver verfügbar und kann mit einem Bindemittel wieder neu auf einen Stromabnehmer in einer Batterie geklebt werden. Genau das haben die Forschenden auch bereits erfolgreich getan, um zu beweisen, dass die Materialien direkt in einer neuen Batterie einsetzbar sind.

„Mit hochwertigem Recycling helfen wir aber nicht nur der Umwelt, sondern verringern auch perspektivisch die Abhängigkeit von Rohstoffimporten“, sagt Baden-Württembergs Wirtschaftsministerin, Nicole Hoffmeister-Kraut. „Mit Blick auf die aktuellen Herausforderungen durch gestörte Lieferketten erhöhen wir damit die Resilienz und die Wettbewerbsfähigkeit des Standorts Baden-Württembergs. Die Forschungsergebnisse des ZSW leisten einen wichtigen Beitrag, um diese ambitionierten Ziele zu erreichen, und zeigen auf, wie Recycling effizient und ressourcenschonend machbar ist.“

Das Projekt wurde seit August 2020 mit einer Summe von 870.000 Euro durch das Landesministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus gefördert. Die Rückgewinnungsquote von 95 Prozent entspricht der Zielmarkte die sich die Europäische Kommission im European Green Deal 2020 für Anoden- und Kathoden-Materialien gegeben hat.

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