Von der Zahnbürste zur Rettung des Planeten: Mit Ultraschall-Delamination Batterien recyceln

Ultraschall-Zahnbürsten könnten der Schlüssel zu einer neuartigen, hocheffizienten Batterierecycling-Methode sein. Neue Forschungsergebnisse der britischen Faraday Institution bestätigen, dass die Ultraschall-Delamination einen schnellen und nachhaltigen Recyclingansatz darstellen könnte. Die Technik ist offenbar nicht nur schneller und umweltfreundlicher als hydrometallurgische und pyrometallurgische Verfahren, sondern könnte laut den Forschern die Materialien in vergleichsweise höheren Reinheitsgraden liefern.

Im Kern geht es beim Recyceln von Batterien, um die Rückgewinnung aktiver Materialien aus den Kathoden, die den Großteil der Edelmetalle eines Geräts enthalten. Zum Beispiel sind es die Kathoden, die Nickel, Mangan und Kobalt enthalten, die den NMC-Batterien ihren Namen geben.

Diese Komponenten werden in einer porösen, 200 Mikrometer dicken Schicht mit Hilfe eines speziellen Bindemittels auf Kupfer- und Aluminiumfolien – den Stromabnehmern – aufgeklebt. Häufig verwendete Bindemittel sind Polyvinylidendifluorid, gemischte Carboxymethylcellulose und Styrol-Butadien-Kautschuk.

Recycler zerkleinern Batterien üblicherweise und behandeln sie mit Feuer oder Lösungsmitteln, um seltenen Metalle zurückzugewinnen. Doch das ist in der Regel mit einem hohen Energieverbrauch und giftigen Abfällen verbunden.

Forscher der Universitäten Birmingham und Leicester, die im Rahmen des Faraday Institution Batterie-Recycling-Forschungsprojekts „ReLiB“ arbeiten, haben jedoch eine neue Art des Recyclings vorgeschlagen. Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift „Green Chemistry“ unter dem Titel „Lithium-ion battery recycling using high intensity ultrasonication“.

Kommerzielle Technik

Das Team verwendete ein kommerzielles Ultraschallsystem mit einer 20 Millimeter Sonotrode, die mit einer Frequenz von 20 Kilohertz und einer Leistung von bis zu 2200 Watt arbeitet. Bei dieser Frequenz und Leistung bildeten sich mit Dampf gefüllte Kavitationsblasen, die stark oszillieren und sich ausdehnen, bevor sie wieder kollabieren. Das Platzen der Kavitationsblasen an der Oberfläche der aktiven Komponenten ist stärker als chemische Kraft der polymeren Binder, was zu einer vollständigen Delaminierung des Stromabnehmers führte.

„Diese neuartige Technik funktioniert wie der Ultraschall-Reiniger eines Zahnarztes, indem sie die Klebeverbindungen zwischen der Beschichtungsschicht und dem Substrat aufbricht“, so Andrew Abbott von der University of Leicester, der die Forschung leitete. „Es ist wahrscheinlich, dass bei der ersten Anwendung der Technologie Produktionsabfälle aus der Batterieherstellung als Ausgangsmaterial verwendet werden und das recycelte Material, am gleichen Standort, direkt wieder in die Batterie-Produktionslinie eingespeist wird. Dies könnte ein echter Meilenstein im Batterierecycling sein.“

Bei dem neuen Verfahren wird die Elektrode in eine Lösung aus entionisiertem Wasser getaucht und in einem Abstand von weniger als 3 Millimeter an der ebenfalls eingetauchten Sonotrode vorbeigeführt. Die Reinigung eines Elektrodenblechs dauert mit der Methode etwa zehn Sekunden, so die Wissenschaftler. Das bedeutet eine Verbesserung der Materialmenge, die in einer bestimmten Zeit verarbeitet werden kann, um etwa den Faktor 100.

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Die Forscher konnten im Experiment 99,5 Prozent der aktiven Materialien der Anode und Kathode zurückgewinnen. Der Rest bestand aus Partikeln von weniger als 3 Mikrometer – zu klein für eine Rückgewinnung durch Filtration. Die Forscher nahmen an, dass es sich bei diesen Partikeln um Rußzusätze handelte. Im Vergleich dazu, würden moderne hydrometallurgische Prozesse, die Schwefelsäurelösungen verwenden, eine Rückgewinnungseffizienz von etwa 67 Prozent der aktiven Materialien erreichen.

Die Wissenschaftler erklärten, dass die Wirksamkeit der Ultraschall-Delaminierung vom verwendeten Bindemittel abhängt, aber durch die Modifizierung des pH-Werts der Lösung und die mögliche Zugabe von Benetzungsmitteln zum Prozess könnte sie für jedes Bindemittel optimiert werden.

Kosten

Das Team aus den englischen Midlands sagte weiter, dass das Ultraschall-Recycling 10 Dollarcent pro 150 Gramm wiedergewonnenen Elektrodenmaterials kosten würde, aber möglicherweise eine teurere Vorbehandlung erfordert, da die Batterien sehr sorgfältig zerlegt und die völlig intakten Elektrodenblätter in das Ultraschallgerät eingeführt werden müssen. Allerdings, wie die Forscher hinzufügten, fallen 5 bis 20 Prozent des Batterieabfalls als Produktionsschrott an, der nicht zerlegt werden muss. Für diese Art von Anwendung sei das Ultraschall-Recycling schon jetzt geeignet, so das Team der Faraday Institution. Die Forscher haben auch schon ein Patent für ihre Technik angemeldet.

In einer separaten Studie, die im Oktober auch in Green Chemistry veröffentlicht wurde, beschrieben die Wissenschaftler, wie Batteriehersteller einen „Design-for-Recycling-Ansatz“ anwenden könnten, der eine umfassende Kennzeichnung, leicht zu öffnende Strukturen und solide Busbars vorsieht, damit Roboter die gefährliche Demontage durchführen können. Außerdem plädieren die Forscher auch dafür, Zellen in einer Bulk-Struktur zu verbinden, anstatt sie in mehreren Modulen zu verschalten. Dies wurde bereits mit Cell-to-Pack- und Blade-Batterie-Geräten realisiert, die auf den Markt gebracht wurden, wenn auch in erster Linie mit dem Ziel, die Kapazität und Leistung von Lithium-Eisenphosphat-Batterien zu verbessern.