Mit der Kraft der Zitrone: Eine natürliche Säure könnte künftig das Recycling von Lithium-Ionen-Akkus günstiger und umweltfreundlicher machen – die Zitronensäure, In einem neu entwickelten Verfahren extrahiert sie die in den Batterien verbauten Metalle mit gut 99-prozentiger Effizienz. Dabei entsteht ein Polyester, das Lithium, Nickel, Cobalt und Mangan einschließt. Durch einfaches Erhitzen lassen sich diese Elektroden-Komponenten dann wiedergewinnen und für neue Akkus weiternutzen, wie die Chemiker berichten.
Ob Smartphone, Notebook oder Elektroauto: Lithium-Ionen-Akkus sind für einen Großteil unserer modernen Technik unverzichtbar. Doch diese wiederaufladbaren Batterien halten nicht ewig, so dass immer größere Mengen ausgedienter Akkus anfallen. Zudem benötigen die Akkus für ihr Funktionieren wertvolle und teils knappe Rohstoffe, darunter Lithium, Cobalt oder Mangan. Eine Lösung dieser Probleme wäre das Recycling der Lithium-Ionen-Akkus und die Rückgewinnung dieser Metalle.
Das Problem des Recyclings
Doch das Akku-Recycling ist – zumindest bisher – aufwendig und wenig umweltfreundlich. Gängige Verfahren kranken meist an hohem Energieverbrauch, begrenzter Effizienz oder regenerierten Materialien minderer Qualität. Oft benötigen sie auch große Mengen an aggressiven Chemikalien und erzeugen giftige Gase und Abwässer. Schon länger suchen Forschende daher nach effizienteren, schonenderen Methoden – von mechanischen Methoden über das „Blitzerhitzen“ bis hin zu Schimmelpilzen als Recyclinghelfern.
Eine weitere Option ist die Auslaugung mit biokompatiblen organischen Säuren wie der Zitronensäure (C6H8O7). Diese in Zitrusfrüchten vorkommende Carbonsäure löst die Metalle aus dem Elektroschrott heraus, allerdings erforderte dies einen mehrstufigen Prozess und einen Überschuss der Zitronensäure – bisher.
Recycling mit Zitronensäure geht auch anders
Doch jetzt haben Chemiker eine Methode entwickelt, die das Batterie-Recycling mit Zitronensäure erheblich vereinfacht und umweltfreundlicher macht. Außer Zitronensäure müssen dabei keine weiteren Chemikalien zugegeben werden, um mehr als 99 Prozent der in den Lithium-Ionen-Akkus enthaltenen Metalle Lithium, Nickel, Cobalt und Mangan auszulaugen und abzutrennen. Entwickelt hat dieses Verfahren ein Team um Miaomiao Zhou von der Chinesischen Universität für Bergbau und Technologie in Peking.
„Unsere Strategie stellt einen doppelten Durchbruch dar, denn sie vereinfacht den Prozess und macht ihn gleichzeitig umweltfreundlicher“, erklären Zhou und sein Team. Das eben den Weg zu einer nachhaltigeren Wiederverwertung ausgedienter Lithium-Ionen-Akkus. „Die Methode benötigt nur einen Schritt und der Energieverbrauch und die CO2-Emissionen liegen bei nur 26 beziehungsweise 44 Prozent der herkömmlichen hydrometallurgischen verfahren.“
Die dritte Säuregruppe ist entscheidend
Der Grund dafür: Es wird nicht wie üblich mit einem Überschuss an Zitronensäure gelaugt, sondern mit einer relativ geringen Menge. Dadurch dissoziieren nur zwei der drei Säuregruppen der Zitronensäure, wie die Chemiker berichten. Die dabei freigesetzten Protonen brechen die Lithium-Sauerstoff-Bindungen auf und setzen so Lithium-Ionen aus dem Akku in die Lösung frei. Auch die Bindungen zwischen den anderen Metallionen und dem Sauerstoff werden gespalten und Nickel, Cobalt und Mangan gehen in Lösung.
Dann kommt die dritte Säuregruppe der Zitronensäure ins Spiel: Sie reagiert nun innerhalb ihres Moleküls mit einer Hydroxyl-Gruppe. Dadurch kommt es zu einer intramolekularen Veresterung („Fischer-Lactonisierung“) und einer ringförmigen Verbindung im Molekül. Der Clou dabei: Diese molekülinterne Reaktion führt nun dazu, dass diese Zwischenstufen miteinander zu einem Polyester reagieren – einer gelartigen Substanz aus langkettigen Molekülen.
Gel-Einschluss macht Metalle wiederverwendbar
Als Ergebnis dieser Reaktion erhalten Zhou und sein Team ein festes Gel, das die zuvor aus dem Akku herausgelösten Metalle aus der Lösung abtrennt und einschließt. Die Effizienz dieser Rückgewinnung liegt für alle vier Metalle – Lithium, Nickel, Cobalt und Mangan, bei mehr als 99 Prozent, wie die Chemiker berichten. Um nun die Metalle wiederzugewinnen, wird das Gel erhitzt und sein organischer Anteil verbrannt.
Übrig bleibt ein kristalliner Feststoff, der ohne aufwendige Weiterverarbeitung als Rohstoff für neue Akku-Elektroden dienen kann: „Das regenerierte monokristalline Schichtgitter hat eine einheitliche Partikelgrößen-Verteilung und vollständige Lamellenstruktur“, erklären Zhou und seine Kollegen. Das wiedergewonnene NCM-Schichtgitter mit eingelagerten Lithiumionen kann daher erneut als hochwertiges Elektrodenmaterial eingesetzt werden. (Angewandte Chemie, 2024; doi: 10.1002/ange.202414484)
Quelle: Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.
