Eine weitere kostengünstige und umweltfreundliche Technologie zum Recycling von Lithium-Ionen-Batteriekathoden wurde vorgestellt
| Jerry Huang
Anmerkung der Redaktion: Die rasante Entwicklung von Unterhaltungselektronik, Elektrofahrzeugen und Energiespeichern hat zu einer enormen Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) geführt. Da diese jedoch nur eine Lebensdauer von 6–8 Jahren haben, werden bis 2030 voraussichtlich über 11 Millionen Tonnen Batterien ausgemustert, was zu einem beispiellosen Ressourcendruck, Umweltrisiken und wirtschaftlichen Herausforderungen führen wird. Aktuell konzentrieren sich die Recyclingbemühungen auf recycelte Kathodenmaterialien (insbesondere geschichtete Metalloxide, LMOs), die wertvolle Elemente wie Lithium, Kobalt, Nickel und Mangan enthalten.
Hier ist ein weiterer Ansatz, der vom Team um Quanquan Pang an der PKU in Zusammenarbeit mit dem Team um Jiashen Meng an der WUT zum Recycling verbrauchter Lithium-Ionen-Batteriekathoden, insbesondere von LMOs, vorgestellt wurde. Vielen Dank an alle beteiligten Forscher.
Besonders hervorzuheben ist, dass bei diesem LTMS-ECR-Verfahren verbrauchte Kathoden, die noch an Aluminiumstromkollektoren befestigt sind, direkt verarbeitet werden, ohne dass die Elektroden zuvor zu „schwarzem Pulver“ zerkleinert werden müssen. Dadurch werden die Vorbehandlungsschritte erheblich vereinfacht.
Die LTMS-ECR-Technologie soll das Potenzial haben, bei der Wiederverwertung von Altbatterien eine hohe Rentabilität von 1,86 $/kg zu erzielen, da sie wiederverwendbare, kostengünstige Schmelzsalzelektrolyte und Li2O sowie die wertvollen Nebenprodukte Co3O4 und LiCl verwendet. Dies stellt eine fast zehnfache Verbesserung gegenüber pyrometallurgischen und hydrometallurgischen Technologien dar.
Analysen der technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Auswirkungen belegen die bemerkenswerte Wirtschaftlichkeit und die hohe CO₂-Nachhaltigkeit von LTMS-ECR. Die hohe Rückgewinnungseffizienz, der geringe Energieverbrauch und die Umweltfreundlichkeit eröffnen einen revolutionären chemischen Weg für das Recycling von Kathodenmaterialien.
Abstrakt
Die elektrochemische Wiederverwertung (ECR) bietet eine vielversprechende Strategie zur Nutzung erneuerbarer Energien für den Abbau verbrauchter Schichtmetalloxide (LMOs). Aktuelle ECR-Verfahren sind jedoch auf Hochtemperaturprozesse (bis zu 750 °C) mit Alkalicarbonat- oder -chloridschmelzen als Elektrolyte beschränkt, was einen hohen Energieverbrauch für die Wärmezufuhr zur Folge hat. In dieser Studie wird ein niedrigschmelzender Alkalichloroaluminat-Schmelzelektrolyt aus AlCl₃–LiCl vorgestellt, der die ECR-Elektrolyse bereits bei Temperaturen von nur 150 °C ermöglicht. Aufgrund der hohen Löslichkeit des Ladungsträgers O₂⁻ in der Alkalichloroaluminat-Schmelze erfährt die LMO-Kathode eine elektrochemische reduktive Destrukturierung, wodurch elementare Übergangsmetalle und Lithiumchlorid (LiCl) entstehen. Die beiden Produkte sind in der mit Li₂O versetzten Schmelze unlöslich und können durch einfaches Auslaugen mit Wasser abgetrennt werden. Durch den Einsatz einer inerten TiN-Anode wird die CO₂-Emission während der Elektrolyse vermieden, da stattdessen O₂ erzeugt wird, was zur Klimaneutralität beiträgt. Mit dem Niedertemperatur-Schmelzsalzelektrolyt-Elektrolyseverfahren (LTMS-ECR) wird eine hohe Kobalt-Rückgewinnungsrate von 97,3 % für LiCoO₂ erzielt. Technoökonomische Analysen prognostizieren, dass die LTMS-ECR-Technologie den Energieverbrauch und die CO₂-Emissionen um ca. 20 % reduziert und im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren fast zehnmal rentabler ist. Das Verfahren stellt eine revolutionäre Alternative für das energieeffiziente, nachhaltige und wirtschaftlich tragfähige Recycling von Lithium-Ionen-Batterien dar.
Referenzen
https://doi.org/10.1002/adma.202512984