Die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Akkus, die in zahlreichen modernen Geräten wie Smartphones, Laptops und Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, ist ein zentrales Thema in der Technologiebranche. Diese Akkus verlieren mit der Zeit ihre Leistungsfähigkeit und müssen schließlich recycelt werden. Ein Forschungsteam hat nun eine neuartige Methode entwickelt, die den Recyclingprozess erheblich verändern könnte. Anstatt die alten Akkus vollständig zu zerlegen und die Rohstoffe zurückzugewinnen, fokussiert sich die neue Technik auf die direkte Wiederverwendung entscheidender Komponenten. Dies könnte nicht nur die Kosten reduzieren, sondern auch den Energieverbrauch während des Recyclingprozesses signifikant verringern.
Forschungsansatz und Methodik
Diese innovative Methode stammt von einem Team der Cornell University in den USA. Die Wissenschaftler haben einen neuen Ansatz ins Leben gerufen, der als „Direct Electrode-to-Electrode Regeneration“ (DEER) bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um eine direkte Regeneration der Elektroden, die essenzielle Teile eines Akkus darstellen und für den Transport der elektrischen Ladungen beim Laden und Entladen verantwortlich sind. Ziel dieser Forschungsarbeit ist es, die elektrochemischen Bauteile zu erhalten und aufzubereiten, statt sie wie in der herkömmlichen Praxis zu zerstören.
Rohstoffverfügbarkeit und die Herausforderungen im Recycling
Ein zentrales Anliegen der Forschung ist die langfristige Verfügbarkeit von wichtigen Rohstoffen. Vibha Kalra, die Projektleiterin und Professorin für Chemieingenieurwesen an der Cornell University, hebt hervor, dass die für Lithium-Ionen-Akkus benötigten Mineralien in der Erdkruste begrenzt sind. Der gegenwärtige Recyclingprozess wird von Kalra als „Akt brutaler Gewalt“ bezeichnet, da ausgediente Akkus häufig geschreddert oder eingeschmolzen werden. Dabei werden wertvolle Rohstoffe wie Lithium, Nickel und Kobalt zurückgewonnen, die anschließend erneut verarbeitet werden müssen, um neue Batterien herzustellen. Der DEER-Ansatz verfolgt hingegen das Ziel, die bestehenden Komponenten so lange wie möglich zu erhalten.
Leistungsverlust von Lithium-Ionen-Akkus
Der Leistungsverlust von Lithium-Ionen-Akkus ist nicht nur auf den vollständigen Verschleiß der Materialien zurückzuführen. Im Inneren der Batterien bilden sich im Laufe der Zeit Ablagerungen, die die Effizienz beeinträchtigen. Das Cornell-Team spricht hierbei von einer „Solid Electrolyte Interphase“ (SEI), einer dünnen Schicht, die sich während der Nutzung auf den Elektroden bildet. Während eine geringe Menge dieser Schicht normal und notwendig ist, kann sie im Laufe der Zeit dicker werden und sich negativ auf die chemischen Prozesse im Akku auswirken, was zu einer verringerten Kapazität und kürzeren Lebensdauer führt.
Durchführung des Regenerationsprozesses
Um diese Ablagerungen zu beseitigen, entnehmen die Forscher die Elektroden aus alten Batterien und setzen sie einer speziellen chemischen Lösung aus, die 1,3-Dimethyl-2-Imidazolidinon (DMI) enthält. Diese Lösung ist darauf ausgelegt, die störenden Ablagerungen zu entfernen, ohne die Elektroden selbst zu schädigen. Nach dieser Behandlung konnten Batterien, die zuvor nur 70 bis 80 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität aufwiesen, wieder auf bis zu 95 Prozent ihrer ursprünglichen Leistung zurückgeführt werden.
Langfristige Perspektiven für regenerierte Akkus
Die regenerierten Akkus zeigten in Tests nicht nur eine verbesserte Kapazität, sondern auch eine verlangsamte Alterung. Während unbehandelte Batterien pro Ladezyklus durchschnittlich 0,072 Prozent ihrer Kapazität verlieren, lag dieser Wert bei den mit DEER behandelten Zellen bei lediglich 0,042 Prozent. Diese Ergebnisse wurden über einen Zeitraum von etwa 800 Ladezyklen dokumentiert. Zudem ist bemerkenswert, dass eine bereits regenerierte Batterie ein zweites Mal behandelt werden kann, wodurch sie erneut etwa 90 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität erreichen kann. Dies deutet darauf hin, dass das Verfahren die nutzbare Lebensdauer von Batterien unter bestimmten Bedingungen mehrfach verlängern könnte.
Vergleich zu traditionellen Recyclingmethoden
Ein wesentlicher Unterschied zu herkömmlichen Recyclingverfahren liegt im Umgang mit den Batterien. Bei konventionellen Methoden werden Batterien häufig zu einer dunklen Masse, bekannt als „Black Mass“, zerkleinert. Diese Masse enthält wertvolle Rohstoffe wie Lithium, Nickel und Kobalt, die später zurückgewonnen werden können. Allerdings gehen dabei die ursprünglichen Bauteile der Batterie verloren. Das Cornell-Forscherteam möchte genau dies verhindern und betrachtet die Batterie nicht nur als Rohstoffquelle, sondern als Produkt, dessen individuelle Komponenten repariert werden können.
Quellen: techbook, Bild
Dieser Text wurde mit Hilfe von künstlicher Intelligenz in Zusammenarbeit mit unserer Redaktion erstellt.
