Die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Akkus, die in zahlreichen modernen Geräten wie Smartphones, Laptops und Elektroautos Anwendung finden, ist eine wachsende Herausforderung. Diese Akkus verlieren über die Zeit an Leistungsfähigkeit und landen letztlich im Recycling. Ein Forschungsteam hat jetzt eine innovative Methode entwickelt, die diesen Recyclingprozess erheblich verändern könnte, indem sie sich auf die Wiederverwendung von Schlüsselkomponenten konzentriert. Durch diesen Ansatz könnten nicht nur die Kosten gesenkt, sondern auch der Energieaufwand beim Recycling signifikant reduziert werden.
Neuer Ansatz zur Regeneration von Elektroden
Die Arbeit stammt von einem Team der Cornell University in den USA, das ein Verfahren mit dem Namen „Direct Electrode-to-Electrode Regeneration“ (DEER) entwickelt hat. Dieser Ansatz bezieht sich auf die direkte Regeneration von Elektroden, die zentrale Elemente in Akkus darstellen, da sie die elektrischen Ladungen während des Lade- und Entladevorgangs transportieren. Die Forscher verfolgen das Ziel, diese Elektroden zu erhalten und sie wiederaufzubereiten, anstatt sie wie in herkömmlichen Verfahren zu zerstören.
Rohstoffverfügbarkeit und Recyclingherausforderungen
Ein zentrales Anliegen der Forschung ist die langfristige Verfügbarkeit entscheidender Rohstoffe. Laut Vibha Kalra, Projektleiterin und Professorin für Chemieingenieurwesen an der Cornell University, sind die Mineralien, die für Lithium-Ionen-Akkus erforderlich sind, begrenzt. Kalra bezeichnet den aktuellen Recyclingprozess als „Akt brutaler Gewalt“, da alte Akkus oft geschreddert oder eingeschmolzen werden, um Rohstoffe wie Lithium, Nickel und Kobalt zurückzugewinnen. Diese müssen anschließend erneut bearbeitet werden, um neue Batterien herzustellen. Der DEER-Ansatz verfolgt einen nachhaltigeren Weg, indem er bestehende Komponenten möglichst lange in Gebrauch hält.
Leistungsverlust bei Lithium-Ionen-Akkus
Der Leistungsverlust dieser Akkus ist nicht nur auf einen vollständigen Verschleiß der Materialien zurückzuführen. Im Inneren der Batterie bilden sich im Laufe der Zeit Ablagerungen. Das Cornell-Team spricht von einer „Solid Electrolyte Interphase“ (SEI), einer dünnen Schicht, die sich während der Nutzung auf den Elektroden bildet. Eine geringe Menge dieser Schicht ist normal und notwendig, jedoch wird sie im Laufe der Zeit dicker, was die chemischen Prozesse im Akku beeinträchtigt und zu einem Rückgang der Kapazität sowie einer verkürzten Lebensdauer führt.
Regenerationsprozess im Detail
Um die störenden Ablagerungen zu beseitigen, 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 entfernt die Ablagerungen, ohne die Elektroden zu schädigen. Nach dieser Behandlung konnten Batterien, die zuvor nur 70 bis 80 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität hatten, wieder auf bis zu 95 Prozent angehoben werden.
Vorteile regenerierter Akkus
Die Testresultate der regenerierten Akkus zeigen nicht nur eine gesteigerte Kapazität, sondern auch eine verlangsamte Alterung. Während unbehandelte Akkus pro Ladezyklus im Durchschnitt 0,072 Prozent ihrer Kapazität verlieren, liegt dieser Wert bei den mit DEER behandelten Zellen bei lediglich 0,042 Prozent. Diese Daten wurden über etwa 800 Ladezyklen erhoben. Zudem kann eine bereits regenerierte Batterie ein zweites Mal behandelt werden, was eine Wiederherstellung von etwa 90 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität ermöglicht. Diese Erkenntnisse deuten darauf hin, dass das Verfahren die Lebensdauer von Akkus unter bestimmten Bedingungen mehrmals verlängern kann.
Vergleich zu herkömmlichen Recyclingmethoden
Ein wesentlicher Unterschied zu den bestehenden Recyclingverfahren liegt im Umgang mit den Batterien. Herkömmliche Methoden zerkleinern Batterien oft zu einer dunklen Masse, bekannt als „Black Mass“, aus der wertvolle Rohstoffe zurückgewonnen werden. Dabei gehen jedoch die ursprünglichen Komponenten der Batterie verloren. Das Team von Cornell möchte genau das verhindern und betrachtet die Batterie nicht nur als Rohstoffquelle, sondern als ein Produkt, dessen Einzelteile repariert werden können.
Quellen: techbook, Bild
Dieser Text wurde mit Hilfe von künstlicher Intelligenz in Zusammenarbeit mit unserer Redaktion erstellt.
