Kritische Materialien von gelösten Batterien trennen

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Eine einfache Methode kann kritische Metallionen aus einer unkonventionellen Quelle trennen

Was passiert, wenn eine Batterie leer ist? Aktuelle wiederaufladbare Batterien enthalten eine Mischung aus Metallen, von denen einige von Tag zu Tag seltener werden. Um diese wichtigen Materialien für die Nutzung verfügbar zu halten, müssen neue und innovative Wege zum Recycling moderner Energietechnologien wie Batterien gefunden werden.

Je komplizierter das Gerät jedoch ist, desto schwieriger ist es, einzelne Elemente effektiv zu extrahieren. Um dieser Herausforderung zu begegnen, entwickeln Forscher neue Strategien, um ein Element vom anderen zu trennen. Viele aktuelle Trenntechniken erfordern einen erheblichen Energieaufwand oder hochspezialisierte und teure Komponenten.

Forscher bei Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) demonstriert a einfache, neue und effektive Möglichkeit um Metallionen aus einer simulierten Batterieelektrodenmischung abzutrennen. Ihr Verfahren basiert auf grundlegenden chemischen Prinzipien und erfordert keine Spezialchemikalien, Bindemittel, Membranen oder giftigen Lösungsmittel. Stattdessen wird ein gewöhnliches Gel verwendet, das mit einem Fällungsmittel beladen ist.

Der Prozess ist hochgradig anpassbar. Die Grundgelstruktur ist einfach herzustellen und das Fällungsmittel, in diesem Fall ein äußerst gewöhnliches Salzmolekül, kann zum Zeitpunkt der Synthese geändert werden. Abhängig von den Metallen in einer Zieltrennung kann das Team ein anderes Fällungsmittel verwenden, das auf die spezifische Anwendung zugeschnitten ist.

„Das Schöne an diesem Prozess ist seine Einfachheit“, sagte PNNL-Materialwissenschaftler und korrespondierender Autor Elias Nakouzi. „Anstatt uns auf teure oder spezielle Materialien zu verlassen, haben wir uns darauf beschränkt, über die Grundlagen des Ionenverhaltens nachzudenken. Und hier haben wir Inspiration gefunden.“

Die Trennung funktioniert, weil verschiedene Ionen durch das Gel wandern und mit unterschiedlicher Geschwindigkeit Feststoffe bilden. Während sich eine gemischte Lösung durch ein mit Gel gefülltes Rohr bewegt, fallen die Metallionen zu unterschiedlichen Zeiten aus. Das Metall, das am schnellsten Feststoffe bildet, reagiert zuerst und verbraucht das Fällungsmittel. Anschließend geht der Prozess schrittweise weiter, wobei sich der nächstschnellste Feststoff bildet, bis sich alle Ionen getrennt haben.

Die aktuelle Arbeit, die Gegenstand eines vorläufigen Patents ist, konzentrierte sich auf eine Proof-of-Concept-Demonstration in Chargen in kleinem Maßstab. Auf das Gel wurden Lösungen gegeben, die Mischungen aus Lithium, Mangan, Kobalt und Nickel enthielten, die alle in Batteriematerialien wichtig sind. Anschließend ließ man die Flüssigkeit durch das Gel wandern, was zur Ionentrennung führte.

Im Vergleich zum bloßen Mischen des Fällungsmittels und der Ionen in einer Lösung ohne Gel stellt dieser Ansatz eine wesentliche Verbesserung dar. Durch einfaches Mischen entstehen Feststoffe, die eine nahezu gleiche Kombination der verschiedenen Metalle darstellen. Die gelbasierte Trennung führt hingegen zu einer maximalen Reinheit des endgültigen Ions von 96 Prozent. Zukünftige Arbeiten werden sich darauf konzentrieren, diesen Prozess auf größere Kapazitäten auszuweiten und effiziente Wege zur Rückgewinnung der abgetrennten Salze zu finden.

Die Einfachheit des Konzepts macht es wirkungsvoll. Während sich diese Arbeit auf die Trennung von Ionen aus einem Modellbatteriesystem konzentrierte, ist der Ansatz auch auf andere Metallmischungen anwendbar. Zukünftige Arbeiten werden verschiedene unkonventionelle Quellen kritischer Materialien untersuchen.

„Wir befinden uns noch in einem sehr frühen Stadium dieser Arbeit“, sagte PNNL-Materialwissenschaftler Qingpu Wang. „Ich denke, wir haben nur an der Oberfläche des enormen Potenzials zur Trennung vieler verschiedener Ionen gekratzt. Wir haben bereits vielversprechende Ergebnisse bei der Abtrennung von Seltenerdmetallen aus gelösten Magneten. Wir planen, diesen Ansatz zu verfolgen und ihn im Rahmen der neuen Non-Equilibrium Transport Driven Separations Initiative von PNNL auf weitere Systeme anzuwenden.“

Die Trennung funktioniert, weil verschiedene Ionen durch das Gel wandern und mit unterschiedlicher Geschwindigkeit Feststoffe bilden. Während sich eine gemischte Lösung durch ein mit Gel gefülltes Rohr bewegt, fallen die Metallionen zu unterschiedlichen Zeiten aus. Das Metall, das am schnellsten Feststoffe bildet, reagiert zuerst und verbraucht das Fällungsmittel. Anschließend geht der Prozess schrittweise weiter, wobei sich der nächstschnellste Feststoff bildet, bis sich alle Ionen getrennt haben.

Die aktuelle Arbeit, die Gegenstand eines vorläufigen Patents ist, konzentrierte sich auf eine Proof-of-Concept-Demonstration in Chargen in kleinem Maßstab. Auf das Gel wurden Lösungen gegeben, die Mischungen aus Lithium, Mangan, Kobalt und Nickel enthielten, die alle in Batteriematerialien wichtig sind. Anschließend ließ man die Flüssigkeit durch das Gel wandern, was zur Ionentrennung führte.

Im Vergleich zum bloßen Mischen des Fällungsmittels und der Ionen in einer Lösung ohne Gel stellt dieser Ansatz eine wesentliche Verbesserung dar. Durch einfaches Mischen entstehen Feststoffe, die eine nahezu gleiche Kombination der verschiedenen Metalle darstellen. Die gelbasierte Trennung führt hingegen zu einer maximalen Reinheit des endgültigen Ions von 96 Prozent. Zukünftige Arbeiten werden sich darauf konzentrieren, diesen Prozess auf größere Kapazitäten auszuweiten und effiziente Wege zur Rückgewinnung der abgetrennten Salze zu finden.

Die Einfachheit des Konzepts macht es wirkungsvoll. Während sich diese Arbeit auf die Trennung von Ionen aus einem Modellbatteriesystem konzentrierte, ist der Ansatz auch auf andere Metallmischungen anwendbar. Zukünftige Arbeiten werden verschiedene unkonventionelle Quellen kritischer Materialien untersuchen.

„Wir befinden uns noch in einem sehr frühen Stadium dieser Arbeit“, sagte PNNL-Materialwissenschaftler Qingpu Wang. „Ich denke, wir haben nur an der Oberfläche des enormen Potenzials zur Trennung vieler verschiedener Ionen gekratzt. Wir haben bereits vielversprechende Ergebnisse bei der Abtrennung von Seltenerdmetallen aus gelösten Magneten. Wir planen, diesen Ansatz zu verfolgen und ihn im Rahmen der neuen Non-Equilibrium Transport Driven Separations Initiative von PNNL auf weitere Systeme anzuwenden.“

Mit freundlicher Genehmigung von PNNL. Von Beth Mundy