Sie versorgen unsere tragbaren Geräte wie Tablets und Mobiltelefone und zunehmend auch Fahrzeuge mit Strom: Lithium-Ionen-Batterien (LIB). Der Bedarf an LIB steigt drastisch an, auch vor dem Hintergrund steigender Anteile volatiler erneuerbarer Energien. Woher das Lithium nehmen angesichts schwindender Ressourcen und steigender Preise? Wohin mit ausgemusterten Batterien, die Gesundheit und Umwelt gefährdende Stoffe enthalten? In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellt ein Forschungsteam einen neuartigen Ansatz zur Rückgewinnung von Lithium aus verbrauchten LIB vor.

Das Recycling von LIB ist eine schwierige Angelegenheit. Insbesondere die Rückgewinnung von Lithium in wieder einsetzbaren Qualitäten ist kompliziert und aufwendig. Die meisten Recycling-Ansätze zielen darauf ab, das Lithium aus Kathoden zu extrahieren (wo sich bei entladenen Batterien das meiste Lithium befindet). Es fällt dann jedoch zusammen mit den in den Kathoden enthaltenen anderen Metallen an und muss mühevoll abgetrennt werden. Die Extraktion aus den meist aus Graphit bestehenden Anoden läuft wesentlich effizienter und kann ohne vorherige Batterieentladung erfolgen. Aufgrund deren hoher Reaktivität ist das Risiko von Bränden und Explosionen jedoch hoch, wenn sie, wie üblich, mit wässrigen Lösungen ausgelaugt werden. Hohe Mengen Energie werden dabei freigesetzt und es kann Wasserstoff entstehen.

Das Team um Yu-Guo Guo und Qinghai Meng vom Institut für Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (ICCAS) und der Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (UCAS) hat jetzt einen alternativen Ansatz entwickelt, der dies vermeidet. Statt Wasser werden aprotische organische Lösungen für die Rückgewinnung von Lithium aus Anoden verwendet. Aprotische Stoffe können keine Wasserstoffionen abgeben, sodass kein Wasserstoff entstehen kann.

Die Lösungen bestehen aus einem polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoff (PAH) und einem Ether als Lösungsmittel. Bestimmte PAH sind in der Lage, ein positiv geladenes Lithiumion aus der Graphit-Anode zusammen mit einem Elektron aufzunehmen. Diese Redoxreaktionen laufen unter milden Bedingungen kontrolliert und sehr effizient ab. Mit dem PAH Pyren in Tetraethylenglycol-Dimethylether konnte das aktive Lithium nahezu vollständig aus den Anoden herausgelöst werden.

Ein weiterer Vorteil: Die erhaltenen Lithium-PAH-Lösungen können direkt als Reagenzien eingesetzt werden, z.B. um neue Anoden in einem Vorbehandlungsverfahren mit Lithium zu versetzen oder um verbrauchte Kathoden zu regenerieren. Das System aus PAH und Lösungsmittel kann variiert und so für das zu behandelnde Material maßgeschneidert werden.

Das Rückgewinnungsverfahren ist effizient und kostengünstig, reduziert die Sicherheitsrisiken, vermeidet Abfall und eröffnet so neue Perspektiven für ein nachhaltiges Recycling von Lithium-Ionen-Batterien.


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Quelle: Angewandte Chemie (09/2023)


Publikation:
doi.org/10.1002/ange.202310435