Ein Forschungsteam hat ein Verfahren entwickelt, das die Regeneration von Lithium-Ionen-Akkus ermöglicht, die in Geräten wie Smartphones, Laptops und Elektroautos verwendet werden. Diese Akkus verlieren nach mehreren Ladezyklen an Leistung und müssen in der Regel recycelt werden. Die neue Methode könnte den Recyclingprozess grundlegend verändern, indem sie die Wiederverwendung wichtiger Komponenten anstelle der vollständigen Zerlegung der Akkus in den Fokus rückt. Dies könnte nicht nur die Kosten senken, sondern auch den Energieaufwand beim Recycling erheblich reduzieren.
Neuer Ansatz zur Regeneration von Elektroden
Die innovative Technik stammt von einem Team der Cornell University in den USA und wird als „Direct Electrode-to-Electrode Regeneration“ (DEER) bezeichnet. Dieser Ansatz zielt darauf ab, die Elektroden, die eine zentrale Rolle im Lade- und Entladeprozess der Akkus spielen, zu erhalten und wiederaufzubereiten, anstatt sie wie in herkömmlichen Verfahren zu zerstören.
Rohstoffknappheit und Recyclingherausforderungen
Ein wesentlicher Aspekt der Forschung ist die Sorge um die Verfügbarkeit von Rohstoffen, die für Lithium-Ionen-Akkus benötigt werden. Vibha Kalra, Projektleiterin und Professorin für Chemieingenieurwesen an der Cornell University, betont, dass die Mineralien in der Erdkruste begrenzt sind. Der gegenwärtige Recyclingprozess wird von Kalra als „Akt brutaler Gewalt“ beschrieben, da alte Akkus häufig geschreddert oder eingeschmolzen werden. Dabei gehen wertvolle Rohstoffe wie Lithium, Nickel und Kobalt verloren, die anschließend erneut verarbeitet werden müssen. Der DEER-Ansatz verfolgt einen anderen Weg, indem er die vorhandenen Komponenten möglichst lange nutzbar hält.
Ursachen für den Leistungsverlust von Lithium-Ionen-Akkus
Der Leistungsverlust von Lithium-Ionen-Akkus ist nicht nur auf den vollständigen Verschleiß der Materialien zurückzuführen. Im Inneren der Batterie bilden sich im Laufe der Zeit Ablagerungen, die als „Solid Electrolyte Interphase“ (SEI) bekannt sind. Diese dünne Schicht ist zwar anfangs notwendig, wird jedoch im Laufe der Nutzung dicker und beeinträchtigt die chemischen Prozesse im Akku, was zu einem Rückgang der Kapazität und einer verkürzten Lebensdauer führt.
Regenerationsprozess im Detail
Um diese Ablagerungen zu entfernen, entnehmen die Forscher die Elektroden aus alten Batterien und tauchen sie in eine spezielle chemische Lösung, die 1,3-Dimethyl-2-Imidazolidinon (DMI) enthält. Diese Lösung soll die störenden Ablagerungen beseitigen, ohne die Elektroden selbst zu schädigen. Nach der Behandlung konnten Batterien, die zuvor nur 70 bis 80 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität erreicht hatten, wieder auf bis zu 95 Prozent gebracht werden.
Langfristige Vorteile regenerierter Akkus
Die regenerierten Akkus zeigten in Tests nicht nur eine verbesserte Kapazität, sondern auch eine langsamere Alterung. Während unbehandelte Batterien pro Ladezyklus durchschnittlich 0,072 Prozent ihrer Kapazität verloren, lag dieser Wert bei den mit DEER behandelten Zellen bei nur 0,042 Prozent. Diese Beobachtungen wurden über einen Zeitraum von rund 800 Ladezyklen dokumentiert. Zudem ist es bemerkenswert, dass eine bereits regenerierte Batterie ein zweites Mal behandelt werden kann, wodurch sie erneut etwa 90 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität erreichen kann. Dies deutet darauf hin, dass das Verfahren die nutzbare Lebensdauer von Batterien unter bestimmten Bedingungen mehrfach verlängern könnte.
Unterschiede zu herkömmlichen Recyclingmethoden
Ein entscheidender Unterschied zu den derzeitigen Recyclingverfahren liegt im Umgang mit den Batterien. Bei herkömmlichen Methoden werden Batterien häufig zu einem dunklen Pulver, bekannt als „Black Mass“, zerkleinert. Diese Masse enthält wertvolle Rohstoffe wie Lithium, Nickel und Kobalt, die später zurückgewonnen werden können. Allerdings gehen dabei die ursprünglichen Bauteile der Batterie verloren. Das Cornell-Forscherteam möchte genau dies vermeiden und betrachtet die Batterie nicht nur als Rohstoffquelle, sondern als ein Produkt, dessen einzelne Komponenten repariert werden können.
Quellen: techbook, Bild
Dieser Text wurde mit Hilfe von künstlicher Intelligenz in Zusammenarbeit mit unserer Redaktion erstellt.
