Recycelte Akkus können besser sein als neue

In vielen Diskussionen über das Für und Wider von Elektroautos taucht die Frage auf, was mit alten Batterien geschehen soll. Die meisten Menschen ziehen es vor, sie wiederzuverwenden und den Zellen ein zweites Leben als stationäre Speicher zu geben, wie "Arstechnica.com" berichtet.

Irgendwann hätten aber auch diese Batterien ihr Lebensende erreicht, und dann sei das Recycling sinnvoll. Denn damit müsse man sich weniger Sorgen um die Beschaffung von Rohstoffen für neue Batterien machen. Gemäss einer in der Fachzeitschrift "Joule" veröffentlichten Studie ist es sogar möglich, dass durch die Verwendung recycelter Materialien eine bessere Batterie hergestellt werden kann. Die Studie wurde von Forschenden des US-amerikanischen Worcester Polytechnic Institute durchgeführt.

Das Recycling einer Batteriezelle ist potenziell lukrativ, weshalb sich Wissenschaft und Industrie für diese Methode interessieren. Die in "Joule" veröffentlichte Studie unter der Leitung von Professor Yan Wang untersuchte die Leistung von Lithium-Ionen-Zellen, deren Kathoden aus Nickel, Mangan und Kobalt bestehen, wobei die Stoffe aus anderen, gebrauchten Zellen zurückgewonnen wurden.

Yan Wang, Professor für Mechanical Engineering am Worcester Polytechnic Institute. (Source: wpi.edu)

Das Recyclingverfahren

Zunächst werden gemäss "Arstechnica" verbrauchte Lithium-Ionen-Batterien "jeder Art und jedes Zustands" entladen, bevor sie zerschnitten, geschreddert und gesiebt werden. Die Gehäuse, Drähte, Kunststoffe und Leiterplatten werden für das Recycling entfernt - zurück bleibt eine schwarze Masse. Diese enthalte Graphit, das Kathodenmaterial und einige andere Metallreste. Anschliessend würden verschiedene Stoffe durch Auslaugen und Filtern aus der Masse entfernt, sodass schliesslich die Nickel-, Mangan- und Kobalt-Ionen übrig blieben.

Etwa 90 Prozent dieser drei Elemente werden zurückgewonnen, und sobald die relative Menge jedes Elements bestimmt wurde, werden frische Nickel-, Mangan- und Kobaltsulfate hinzugefügt. Dadurch erreiche man das endgültige gewünschte Verhältnis für den jeweiligen Zelltyp. Nach einer weiteren Behandlung und mehrstündigem Erhitzen soll das recycelte Kathodenpulver bereit sein für den Einsatz in einer neuen Batteriezelle.

Schematischer Aufbau des Recyclingverfahrens. (Source: Wang et al. / "Joule")

Wang und sein Team testeten das recycelte Kathodenpulver in einer Reihe von Zelltypen: Münzen, einlagige Beutelzellen, 1 Amperestunde (Ah) und 11 Amperestunden. Sie verglichen die Leistung der verschiedenen Typen mit ähnlichen Zellen, die mit "frischem" Kathodenpulver hergestellt wurden.

Die Zellen mit recycelten Kathoden wurden dann einer Reihe von Tests unterzogen, bei denen sie fast identisch mit Zellen aus frischem Kathodenmaterial abschnitten. Es gab nur eine bemerkenswerte Ausnahme: Die Zellen mit recycelten Kathodenmaterialien hielten bis zu 53 Prozent länger.

Die Zellen und ihre Robustheit

1-Ah-Zellen wurden wiederholt geladen und entladen, um herauszufinden, wie viele Zyklen sie überstehen, bevor sie sich abbauen. Die Kontrollzellen hatten nach 3150 Zyklen nur noch 80 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität und nach 7600 Zyklen nur noch 70 Prozent der Kapazität. An diesem Punkt war ihr Potenzial ausgeschöpft. Die Zellen aus recyceltem Material konnten dagegen 4200 Zyklen durchlaufen, bevor sie auf nur noch 80 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität abfielen. Sie erreichten 11'600 Zyklen, bevor sie höchstens noch 70 Prozent verzeichneten.

Als die Forschenden das recycelte Kathodenpulver mit einem Rasterelektronenmikroskop untersuchten, entdeckten sie laut "Arstechnica", dass die Partikel recht ähnlich waren. Die recycelten Partikel hatten aber im Vergleich zu den Kontrollpartikeln grössere Poren in ihrem Zentrum. Zudem waren die rezyklierten Pulver etwas weniger spröde. Die porösere Struktur erleichtert die Diffusion von Lithium-Ionen, und durch die höhere Flexibilität ist es nach wiederholtem Laden und Entladen widerstandsfähiger gegen Risse.

Batterien mit recycelten Kathodenmaterialien könnten schon bald auf den Markt kommen, berichtet "Arstechnica". Anfang 2022 werde ein von Wang mitgegründetes Start-up namens Battery Resources seine erste Anlage zum Recycling von Zellen in den USA in Betrieb nehmen. Bis Ende des nächsten Jahres sollen zwei weitere in Europa folgen. Nach Angaben des Unternehmens solle es bis Ende 2022 in der Lage sein, jährlich 30'000 Tonnen Batterien zu recyceln.

Im Tessin sorgt übrigens eine andere Art von Superbatterie derzeit für internationales Aufsehen. Mehr dazu lesen Sie hier.