Schnell und effizient: Wertvolle Metallrohstoffe aus alten Batterien können künftig schneller, einfacher und umweltschonender wiedergewonnen werden. Möglich wird dies dank des „Flash Joule Heating“, einem kurzen starken Erhitzen, das alle organischen Komponenten verkohlt und die Metalle aus dem Verbund herauslöst. In ersten Tests gelang es dem Team damit, 98 Prozent aller Metalle aus gebrauchten Akkus wiederzugewinnen – in weniger als 20 Minuten. Weil keine starken Lösungsmittel und nur wenig Säure benötigt werden, ist das Verfahren zudem umweltfreundlich.
Ob Lithium-Ionen-Akkus oder andere Batterien: Die mobilen Energieträger enthalten wertvolle Metall-Rohstoffe wie Lithium, Cobalt oder Seltene Erden, die bisher nach Ende ihrer Nutzungszeit meist ungenutzt verloren gehen. Denn ähnlich wie beim restlichen Elektroschrott hapert es auch bei ausgediente Akkus und Batterien mit dem Recycling. Einer der Gründe dafür: Das Batterierecycling ist aufwendig, dauert lange und benötigt umweltschädliche Lösung- und Bleichmittel.
Stromstoß statt langwieriger Auftrennung
Doch das könnte sich nun ändern: US-Forscher um Weiyin Chen von der Rice University in Texas haben eine Methode entwickelt, die das Batterierecycling schneller und effizienter macht. Basis dafür ist das bereits vor einigen Jahren entwickelte „Flash Joule Heating„. Für dieses elektrische Blitz-Aufheizen wird das fein gemahlene Ausgangsmaterial – in diesem Fall die Batterien – zusammen mit etwas Kupferwolle in eine dünne Quarzröhre gefüllt.
Dann erfolgt das eigentliche „Flash Heating“: Über zwei Graphit-Elektroden wird ein nur 110 Millisekunden langer, starker Stromstoß durch das Material geschickt. Dies heizt das Pulver auf knapp 2.000 Grad auf. „Die starke Hitze reicht aus, um die Struktur der Materialien zu zerstören und die Batterie-Metalle zu einfachen Metalloxiden und elementaren Metallen zu reduzieren“, erklärt das Team. Auch der Elektrolyt und seine feste Grenzphase werden zerlegt.
98 Prozent Ausbeute für Lithium, Cobalt und Co
Das Resultat dieser ohmschen Blitz-Aufheizung ist ein „aktiviertes Material“ wie die Forschenden es nennen, aus fast reinen Metallen und einfachen Metalloxiden. „Aus dieser ‚geflashten‘ Schwarzen Masse kann man die gewünschten Metalle mithilfe gering konzentrierter Salzsäure leicht herauslösen“, sagt Chen. Obwohl im Vergleich zur herkömmlichen hydrometallurgischen Methode weit weniger Salzsäure benötigt wird, geht der Lösungsprozess um das Tausendfache schneller.
„Es dauert weniger als 20 Minuten, um die Metalle aus der Masse herauszulösen, statt wie sonst 24 Stunden“, berichtet Chen. In Tests mit sieben verschiedenen Batterie-Kompositionen konnten die Forschenden mit ihrer Flash-Heating-Methode rund 98 Prozent des Lithiums und der enthaltenen Übergangsmetalle wiedergewinnen. „Die Ausbeuten der Batteriemetalle sind zudem kaum davon beeinträchtigt, welche Elektrolyt- und Salzreste in der Mischung vorhanden waren“, so das Team.
Vorteile bei Umweltbilanz und Kosten
Wie es mit der Umweltbilanz und den Kosten der Methode aussieht, haben die Wissenschaftler ebenfalls ermittelt. Demnach verbraucht das Batterierecycling mittels Flash-Joule-Heating 26 Prozent weniger Wasser, 87 Prozent weniger Salzsäure und 15 Prozent weniger Energie als die gängige hydrometallurgische Methode. Die Treibhausgas-Emissionen sind um 23 Prozent niedriger. Ähnliche Vorteile gebe es gegenüber dem pyrometallurgischen Verfahren, so das Team. Bei dieser werden die Akku-Reste in mehreren Schritten in Öfen geschmolzen und dann gelöst.
„Die Lebenszyklusanalyse zeigt, dass das Flash-Joule-Heating den Umwelt-Fußabdruck des Batterierecyclings gegenüber herkömmlichen Methoden signifikant verkleinert“, schreiben die Forschenden. „Gleichzeitig macht es das Recycling zu einem auch wirtschaftlich attraktiven Prozess.“ Denn ein Kilogramm ausgediente Batterien durch das Flash-Heating zu recyceln, kostet 49 Prozent weniger als beim gängigen Lösungsprozess und 28 Prozent weniger als bei der Ofenmethode, wie sie berichten.
Chance zum Rohstoffsparen durch Kreislauf
Chen und seine Kollegen sehen in ihrem Verfahren daher einen vielversprechenden Weg, um das Recycling von Elektroschrott und Batterien voranzutreiben. Das wiederum könnte auch die Rohstoffknappheit bei den Batterie-Rohstoffen mindern, vor allem beim Lithium und Cobalt. Denn Prognosen zufolge wird der Bedarf durch den Aufschwung der Elektromobilität schon in naher Zukunft höher liegen als das Angebot dieser Rohstoffe.
„Ein geschlossener Kreislauf für die Rohstoffe der Lithium-Ionen-Akkus verringert die Notwendigkeit, neue Batteriemetalle zu fördern, verringert die Umweltfolgen der Batterie-Entsorgung und liefert einen ökonomischen Anreiz für das Recycling“, konstatiert das Forschungsteam. (Science Advance, 2023; doi: 10.1126/sciadv.adh5131)
Quelle: Rice University
