Robert Klatt
Lithium aus alten Batterien von Elektroautos und Co. wird bisher kaum recycelt. Ein neues Verfahren ermöglicht die Rückgewinnung des Metalls ohne korrosive Chemikalien, hohe Temperaturen oder eine Trennung der Materialien.
Karlsruhe (Deutschland). Es werden immer mehr Lithium-Ionen-Batterien als Energiespeicher, etwa in Elektroautos, verwendet. Die Wissenschaft sucht deshalb nach ökologisch und ökonomisch sinnvollen Recyclingverfahren, mit denen die Rohstoffe ausgedienter Batterien zurückgewonnen werden können. Bisher werden fast nur Nickel und Kobalt, Kupfer und Aluminium sowie Stahl aus Batterieabfällen extrahiert und recycelt.
Die Lithium-Rückgewinnung ist hingegen noch kostenintensiv und spielt in der Industrie noch keine Rolle, weil die metallurgischen Methoden größtenteils energieintensiv sind oder schädliche Nebenprodukte erzeugen. Im Gegensatz dazu bieten mechanochemische Verfahren, die mechanische Prozesse zur Induzierung chemischer Reaktionen einsetzen, eine höhere Effizienz bei geringerem Ressourcenaufwand und erhöhter Nachhaltigkeit.
Wissenschaftler vom Institut für Angewandte Materialien – Energiespeichersysteme (IAM-ESS) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben laut ihrer Publikation im Fachmagazin Communications Chemistry nun ein solches Verfahren in Kooperation mit Forscher vom Helmholtz-Institut Ulm für Elektrochemische Energiespeicherung (HIU) der Universität Ulm und EnBW Energie Baden-Württemberg AG entwickelt. Das Recyclingverfahren erreicht eine bei Lithium eine Rückgewinnungsquote von bis zu 70 Prozent, ohne den Einsatz korrosiver Chemikalien, hoher Temperaturen oder einer vorhergehenden Trennung der Materialien. Laut Dr. Oleksandr Dolotko ist das Verfahren für marktübliche Lithium-Ionen-Batterien geeignet.
„Das Verfahren eignet sich zur Rückgewinnung von Lithium aus Kathodenmaterialien unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung und damit für viele verschiedene marktübliche Lithium-Ionen-Batterien. Es erlaubt ein kostengünstiges, energieeffizientes und umweltverträgliches Recycling.“
Der Recyclingprozess startet mit dem Zerkleinern der Akkus in einer Kugelmühle. Hierbei treten die Lithiumverbindungen der Batterie in verstärktem Kontakt mit dem in der Kathode enthaltenen Aluminium. Laut Dolotko und seinem Team fungiert das als Kollektor eingesetzte Material in der Kathode als Reduktionsmittel. Es kommt zur Reaktion des Aluminiums mit gängigen Lithiumverbindungen der Akku-Kathode, einschließlich Lithium-Cobaltoxid (LiCoO2), Lithium-Manganoxid (LiMn2O4), Lithium-Eisenphosphoroxid (LiFePO4) und Lithiumoxid mit Kobalt, Mangan und Nickel (Li(CoNiMn)O2), kurz NMC.
Nach etwa drei Stunden Mahlen ergibt sich ein Gemisch aus metallischen Komponenten, Lithiumoxid und Aluminiumoxid. Magnetische Metalle wie Eisen oder Kobalt können mithilfe eines Magneten entfernt werden. Anschließend wird die Mischung in Wasser gelöst, gefiltert und durch Verdampfen rekristallisiert. Hierbei entstehen das gewünschte Rohstoffprodukt Lithiumcarbonat und ein Lithium-Aluminium-Hydroxyhydrat (LACHH).
In einem finalen Reinigungsschritt wird das auskristallisierte Pulver auf etwa 350 Grad erhitzt. Hierdurch reagiert das LACCH zu Lithiumcarbonat und Aluminiumcarbonat. Beim erneuten Lösen in Wasser löst sich lediglich das Lithiumcarbonat, während das Aluminiumcarbonat festbleibt und abfiltriert werden kann.
„Diese Methode ist nahezu universell einsetzbar, denn sie funktioniert mit allen zurzeit in Kathoden verwendeten Lithiumverbindungen und auch ihren Mischungen.“
Die Autoren sind deshalb überzeugt, dass dieses Verfahren das Potenzial besitzt, das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien zukünftig deutlich einfacher und kosteneffizienter zu gestalten als bisher. Aufgrund der wenigen, unkomplizierten Schritte ist diese Methode gut für die Anwendung im industriellen Maßstab geeignet. Dies könnte dazu führen, dass wertvolles Lithium aus Elektroautobatterien und Akkus zahlreicher weiterer Geräte in Zukunft auf effiziente und umweltschonende Weise zurückgewonnen wird.
Communications Chemistry, doi: 10.1038/s42004-023-00844-2
