Forscher für Batterierecycling entwickeln neues elektrochemisches Verfahren

23. Oktober 2020 durch Carolyn Fortuna

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Das Recycling von Batterien ist unerlässlich, um zu verhindern, dass gefährliche Materialien während des EV-Produktionsprozesses und am Ende ihrer Lebensdauer in den Abfallstrom gelangen. Die Entsorgung von Batteriedeponien ist rücksichtslos, da sie erhebliche Mengen an Schwermetallen und anderen giftigen Substanzen in Luft und Wasser verteilen kann.

Vor dem Hintergrund wachsender Herausforderungen und Chancen möchte das Idaho National Laboratory (INL) das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien einfacher, effizienter und potenziell umweltfreundlicher machen. In ihrer Arbeit berichteten die Forscher über einen Grundsatznachweis für einen anderen Ansatz beim Batterierecycling, der bei Raumtemperatur funktioniert und den Einsatz von Chemikalien erheblich reduziert.

Lithium-Ionen ist ein wartungsarmer Akku mit hoher Energiedichte und Leistungsgewicht, relativ geringer Selbstentladung und geringem Wartungsaufwand. Seit wir am Anfang der Revolution der Elektrofahrzeuge stehen, haben nur wenige Elektrofahrzeuge das Ende ihrer Nutzungsdauer erreicht. Prognosen gehen davon aus, dass allein in diesem Jahr China einige generieren wird 500.000 Tonnen von gebrauchten Lithium-Ionen-Batterien, und bis 2030 wird die weltweite Zahl 2 Millionen Tonnen pro Jahr erreichen.

Lithium-Ionen-Batterien stellen eine erhebliche Herausforderung für die Umwelt dar: Wie entsorgen Sie eine Batterie, wenn sie nicht mehr nützlich ist?

Gesetzgebung zur Unterstützung des Batterierecyclings

Senator Angus King, ME-unabhängig, gesponsert das „Gesetz über das Recycling von Batterien und kritischen Mineralien von 2020“. Das Handlung ((das scheint im Ausschuss ins Stocken geraten zu sein) fordert den Kongress auf, in den nächsten 5 Jahren 150 Millionen US-Dollar bereitzustellen, um die Forschung zu modernsten Ansätzen für das Recycling von Batterien zu unterstützen und beim Aufbau eines nationalen Sammelsystems zu helfen.

Das Gesetz befasst sich mit:

1. Recyclingprozesse
2. die Entwicklung von Methoden zur Förderung des Designs und der Produktion von Batterien, die die Demontage, Wiederverwendung, Rückgewinnung und das Recycling von Batteriekomponenten und -materialien vollständig berücksichtigen und erleichtern
3. Strategien zur Steigerung der Akzeptanz und Beteiligung der Verbraucher am Recycling von Batterien; und die Integration erhöhter Mengen recycelter kritischer Mineralien in Batterien und andere Produkte, um Märkte für recycelte Batteriematerialien und kritische Mineralien zu erschließen

Ein schnelles Wachstum des Marktes für Elektrofahrzeuge ist unerlässlich, um die globalen Ziele zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen zu erreichen. ebenso wie die Notwendigkeit, das derzeitige Spektrum an Ansätzen für das Recycling und die Wiederverwendung von EV-Lithium-Ionen-Batterien zu erweitern. Heutzutage werden nur geschätzte 5% der Lithium-Ionen-Batterien aufgrund des ineffizienten aktuellen Prozesses, der Hochtemperatur- und Ätzchemikalien umfasst, recycelt.

Idaho National Laboratory Research zum Batterie-Recycling

In der Zeitschrift Ressourcen, Erhaltung & RecyclingDas INL-Team beschreibt eine elektrochemische Methode zum Auslaugen wertvoller Metalle aus den aktiven Materialien gemischter zerkleinerter Lithium-Ionen-Batterien. Anstelle von Wärme kommt die Energie aus Elektrizität, die die Reaktionen antreibt, die Kobalt, Lithium, Mangan und andere Materialien aus den Batterien auslaugen. Die Forscher streiten dass die Entwicklung einer Kreislaufwirtschaft für Lithium-Ionen-Batterien für die Verwirklichung der Dekarbonisierung und eines Marktes für elektrifizierte Energie von wesentlicher Bedeutung ist.

Die INL-Wissenschaftler begannen mit zerkleinerten Lithium-Ionen-Batterien, deren Material von Retriev Technologies aus Lancaster, Ohio, geliefert wurde. Retriev, ein Unternehmen für Batterierecycling und -management, war ebenso an der Untersuchung beteiligt wie Solvay, ein in Brüssel ansässiges Unternehmen, das die für die Metalltrennung verwendeten Chemikalien lieferte.

Nach der Entwicklung des elektrochemischen Prozesses testeten die Wissenschaftler es und stellten fest, dass sie hohe Recycling-Rückgewinnungsraten erzielen konnten. Sie berichteten über einen Wirkungsgrad von über 96% in Bezug auf extrahiertes Kobalt, Lithium, Mangan und Nickel, die den Prozess in einem einzigen Ausgangsstrom verlassen. Im Gegensatz dazu lagert sich Kupfer – ein Metall mit hohem kommerziellen Wert – auf der Kathode ab, was den nachgeschalteten Trennungsprozess vereinfacht, sagte Lister.

Eine vorläufige Kostenanalyse ergab eine Reduzierung der Energie- und Chemiekosten um etwa 80% im Vergleich zu den derzeitigen Recyclingtechniken.

In diesem Verfahren ermöglichte die Verwendung von Elektronen als grünes Reagenz die Verwendung und Regeneration von Fe2 + in geringen Konzentrationen als Ersatz für Wasserstoffperoxid als Reduktionsmittel. Das Auslaugen in einer membrangetrennten elektrochemischen Zelle mit zwei Kompartimenten trug dazu bei, den Säurebedarf zu verringern, da H + elektrochemisch erzeugt werden kann. Mit dieser Konstruktion wurden Auswaschwirkungsgrade von über 96% für die aktiven Metalle (Li, Co, Mn und Ni) bei Zellstoffdichten von bis zu 240 g / l nachgewiesen. Kupfer wurde separat gewonnen.

Vorläufige Kostenanalysen belegen ca. Reduzierung der Energie- und Chemiekosten um 80% im Vergleich zu herkömmlichen hydrometallurgischen Routen.

Was steht dem Batterierecycling bevor?

Die Entsorgung von Batterien auf Mülldeponien ist nicht nur gefährlich, sondern auch verschwenderisch, da leere Batterien wertvolle Elemente wie Kobalt, Lithium und Mangan in höheren Konzentrationen enthalten als in kommerziellen Erzen. Die Rückgewinnung dieser Metalle nach dem Verlust der Vitalität der Batterien ist unerlässlich.

Alle Anzeichen deuten darauf hin, dass das Recycling von Batterien ein baldiges großes Geschäft ist, das entsprechend den Prognosen für Elektrofahrzeuge, die bis 2040 1/3 der Personenkraftwagen umfassen sollen, entsprechend wachsen sollte. Das sind laut 54 Millionen Elektrofahrzeugen auf der Straße Bloomberg NEF. Bis dahin wird der Wert der Rohstoffe in Lithium-Ionen-Altbatterien von etwa 0,3 Mrd. USD im Jahr 2020 auf 1,1 Mrd. USD im Jahr 2025 und von fast 24 Mrd. USD im Jahr 2040 gestiegen sein.

Zukunftspläne für das INL-Team, as berichtet von Hank Hogan für INL Communications & Outreachumfassen die Entwicklung eines elektrochemischen Verfahrens zur Trennung des Auslaugungsprozesses in Kobalt, Lithium, Mangan und Nickel. Das Team untersucht auch die Wiederverwendung für ein anderes kritisches Material, Graphit, das noch vorhanden ist und das möglicherweise recycelt werden kann.

Sowohl der Auslaugungs- als auch der Trennprozess müssen dann auf eine Größe skaliert werden, die in einer industriellen Umgebung nützlich ist. Ein Teil dieser Bemühungen umfasst die Optimierung der Auslaugungs- und Trennprozesse durch Optimierung der Parameter, um die Leistung und Effizienz zu verbessern. Neben dem Projektpartner Retriev sind INL-Wissenschaftler daran interessiert, bei diesen nächsten Schritten mit kommerziellen Partnern zusammenzuarbeiten.

Schließlich könnte diese Art des Batterierecyclings die überschüssige Energie nutzen, die manchmal von Elektrizitätswerken in Versorgungsgröße erzeugt wird.

Abschließende Gedanken

Möchten Sie mehr über die derzeit laufende Forschung zum Batterierecycling erfahren?

• Das wirtschaftliche Potenzial für die Wiederverwendung von Batterien oder „Second Life“ kann einen Markt für kostengünstige Speicher für Energieversorger und Stromverbraucher darstellen.
• Die Union of Concerned Scientists bietet einen Überblick über den aktuellen Stand des Batterierecyclings und zeigt Möglichkeiten auf, den Kreislauf der Batteriematerialien zu schließen und eine nachhaltige Wertschöpfungskette für Lithiumbatterien zu schaffen.
• Forscher der Michigan Technological University verwenden jahrhundertealte Bergbautechniken, um Lithium-Ionen-Batterien kostengünstig zu recyceln.
• Fortum, ein in Finnland ansässiges Unternehmen für das Laden sauberer Energie und Elektrofahrzeuge, das an einem Plan zur Installation drahtloser EV-Ladegeräte für Taxis in Oslo beteiligt ist, hat ebenfalls ein neues Verfahren entwickelt, mit dem mehr als 80% der EV-Batteriematerialien recycelbar sind.

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Stichworte: Batterierecycling, EV-Batterien, Recycling, Erneuerbare Energien, Abfallreduzierung