Batterien recyceln sich mit kontrolliertem Kurzschluss selbst
Lithium-Ionen-Batterien sind in vielen technischen Geräten enthalten. Zum Beispiel in E-Autos, Smartphones oder Speichern für Photovoltaik-Anlagen. Mit Lithium geht aber auch eine ökonomische Abhängigkeit einher, denn nur wenige Länder beliefern die Welt mit dem weiß-silbernen Metall.
Durch Recycling kann man Lithium und andere Stoffe wieder zurückgewinnen. Dafür braucht es meist hohe Temperaturen und Chemikalien. Ein Forschungsteam hat nun eine beinahe explosive Lösung, die Ressourcen und damit auch Geld sparen sowie den Recyclingprozess verbessern könnte.
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Thermal Runaway als Gefahr
Wenn Batterien beschädigt sind oder es zu Kurzschlüssen kommt, kann dies eine chemische Kettenreaktion auslösen, die zu Hitze im Inneren der Batterie führt. Diese Reaktion bezeichnet man als Thermal Runaway, oder auf deutsch Thermisches Durchgehen.
Eigentlich versucht man sie zu vermeiden. Denn Thermisches Durchgehen führt dazu, dass die Lithium-Ionen-Batterie brennt oder explodiert.
Der kontrollierte Kurzschluss als Lösung
Um Batterien zu recyceln, setzt man bisher auf 2 wesentliche Prozesse. Mit der Pyrometallurgie werden die Batterien mit Temperaturen von mindestens 1.400 Grad Celsius recycelt. Eine andere Option ist die Hydrometallurgie, bei der die geschredderten Batteriekomponenten mit Säuren behandelt werden, was zu giftigen Abfällen führt.
Die Forschenden schlagen hingegen vor, die im Akku gespeicherte Energie zu nutzen, damit sich die Batterie durch einen kontrollierten Kurzschluss selbst recycelt. Dieser wird durch ein Gerät herbeigeführt. Der Kurzschluss in einer Zelle führt dann zur Reaktion in der gesamten Batterie, wird aber von den Forschenden in Zaum gehalten, um das optimale Ergebnis zu erzielen.
Oft seien aussortierte Batterien noch teilweise geladen. Diese Energie kann gleich genutzt werden, um die nötige Hitze für das Recycling zu erzeugen. So könne die Wärmezufuhr von Außen reduziert werden.
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Ladung von 70 Prozent ist optimal
Für die Experimente verwendeten die Forscher eine 24-Amperestunden-Zelle mit einer Nickel-Mangan-Kobaltoxid-Kathode. Bei einer zu 50 Prozent geladenen Batterie entstehe laut den Forschenden in Sekunden eine Temperatur von 515 Grad Celsius, bei voller Ladung sind es 1.100 Grad Celsius.
Der Akku soll idealerweise auf 70 Prozent geladen werden, wodurch nur wenig Energiezufuhr, also 0,28 Megajoule pro Kilogramm Batterie, notwendig ist. So könne man je nach Batterietyp 99,9 Prozent des Lithiums zurückgewinnen. Auch andere Batteriebestandteile, wie Nickel, Kobalt oder Mangan, können wiederverwendet werden.
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Energie, Treibhausgase und Kosten
Im Vergleich zur Pyrometallurgie kommt es beim Einsatz dieser Methode zu einer Stromersparnis von 97,8 Prozent, verglichen mit der Hydrometallurgie sind es 96,1 Prozent. Auch der Einsatz von Salzsäure könne stark reduziert werden, Wasserstoffperoxid werde gar nicht mehr benötigt.
In Bezug auf die verursachten Treibhausgase sinkt der durch den Recyclingprozess verursachte Ausstoß um 54,6 Prozent bzw. 44,5 Prozent im Vergleich zur Pyro- und Hydrometallurgie. Auch wirtschaftlich lohne sich der von den Forschern vorgeschlagene Prozess. Pro Kilogramm Batterie ergebe sich ein Gewinn von rund 1,94 US-Dollar. Bei der Hydrometallurgie sind es 1,14 Dollar und bei der Pyrometallurgie 0,97 Dollar.