7. Dezember 2020 durch Steve Hanley
Lithiumeisenphosphat (LFP) -Batterien haben nicht die höchste Energiedichte, kosten jedoch weniger als andere Lithiumbatterien und haben weniger Probleme mit dem thermischen Durchgehen. Mit anderen Worten, sie neigen dazu, kein Feuer zu fangen oder zu explodieren, wie dies bei einigen Lithium-Ionen-Batterien der Fall ist. Anfang dieses Jahres stellte BYD seinen Blade LFP-Akku vor, der durchstochen, fallen gelassen, zerschlagen, überladen oder überhitzt werden kann, ohne thermisch instabil zu werden. In China hergestellte Tesla Model 3-Limousinen sind jetzt mit LFP-Akkus ausgestattet. LFP ist nicht der Höhepunkt der Batterietechnologie, aber es könnte genau das sein, was die EV-Revolution braucht, um günstigere Elektroautos auf den Markt zu bringen.
Ein Teil dieser Revolution, der angegangen werden muss, ist, was mit alten Batterien zu tun ist, die Elektrofahrzeuge nicht mehr antreiben können. Experten sagen voraus, dass allein in China in diesem Jahr rund 500.000 Tonnen gebrauchte Lithium-Ionen-Batterien erzeugt werden. Bis 2030 könnte die weltweite Zahl 2 Millionen Tonnen pro Jahr erreichen, und das könnte niedrig sein, da die Nationen beginnen, Richtlinien zu verabschieden, die den Wechsel zu Elektrofahrzeugen schneller vorantreiben. Das Problem ist, dass das Recycling derzeit ein teurer und energieintensiver Prozess ist.
Forscher der Jacobs School of Engineering an der Universität von Kalifornien in San Diego veröffentlichten eine Papier in Joule Kürzlich wurde ein neues Recyclingverfahren für LFP-Kathoden beschrieben, das umweltfreundliche Inhaltsstoffe verwendet, 80 bis 90% weniger Energie verbraucht und etwa 75% weniger Treibhausgase ausstößt.
Mit LFP-Kathoden hergestellte Batterien sind kostengünstiger als andere Lithium-Ionen-Batterien, da sie keine teuren Metalle wie Kobalt oder Nickel verwenden. Laut Zheng Chen, Professor für Nanoengineering an der UC San Diego, besteht das Problem darin, dass es nicht kosteneffektiv ist, sie zu recyceln. Es ist das gleiche Dilemma bei Kunststoffen – die Materialien sind billig, die Methoden zu ihrer Rückgewinnung jedoch nicht. "
Das neue Recyclingverfahren, das Chen und sein Team entwickelt haben, funktioniert bei niedrigen Temperaturen zwischen 60 und 80 Grad Celsius und bei Umgebungsdruck. Das macht es weniger stromhungrig als andere Methoden und die verwendeten Chemikalien – Lithiumsalz, Stickstoff, Wasser und Zitronensäure – sind kostengünstig und nicht umweltschädlich. „Der gesamte Regenerationsprozess funktioniert unter sehr sicheren Bedingungen, sodass wir keine besonderen Sicherheitsvorkehrungen oder spezielle Ausrüstung benötigen. Deshalb können wir das Recycling von Batterien so kostengünstig gestalten “, sagte der Erstautor Panpan Xu, ein Postdoktorand in Chens Labor.
Die Forscher fuhren zunächst kommerzielle LFP-Zellen, bis sie die Hälfte ihrer Energiespeicherkapazität verloren hatten. Dann nahmen sie die Zellen auseinander, sammelten die Kathodenpulver und tränkten sie in einer Lösung, die Lithiumsalz und Zitronensäure enthielt. Nachdem sie mit Wasser gewaschen worden waren, wurden die Pulver getrocknet und dann erhitzt. Die Forscher stellten neue Kathoden aus den Pulvern her und testeten sie sowohl in Knopfzellen als auch in Beutelzellen. Ihre elektrochemische Leistung, chemische Zusammensetzung und Struktur wurden vollständig in ihren ursprünglichen Zustand zurückversetzt.
Wiederherstellungskräfte
Im Gebrauch erfährt die Kathode während wiederholter Lade- / Entladezyklen zwei Hauptstrukturänderungen, die zu einer Leistungsminderung führen. Der erste ist der Verlust von Lithiumionen, der leere Stellen erzeugt, die als Leerstellen in der Kathodenstruktur bezeichnet werden. Das andere tritt auf, wenn Eisen- und Lithiumionen Punkte in der Kristallstruktur wechseln. In diesem Fall können sie nicht einfach zurückschalten, sodass Lithiumionen eingeschlossen werden und die Batterie nicht mehr durchlaufen können.
Das von den Forschern entwickelte Verfahren stellt die Struktur der Kathode wieder her, indem Lithiumionen nachgefüllt werden und Eisen und Lithiumionen leicht wieder an ihre ursprünglichen Stellen zurückkehren können. Diese Umschaltung erfolgt, wenn Zitronensäure in den Prozess eingeführt wird. Die Zitronensäure wirkt als Reduktionsmittel – eine Substanz, die ein Elektron an eine andere Substanz abgibt. Zitronensäure überträgt Elektronen auf die Eisenionen und macht sie weniger positiv geladen. Dies minimiert wiederum die elektronischen Abstoßungskräfte, die verhindern, dass sich die Eisenionen an ihre ursprünglichen Stellen in der Kristallstruktur zurückbewegen. Es setzt auch die Lithiumionen wieder in den Kreislauf frei.
Während die Gesamtenergiekosten dieses Recyclingprozesses niedriger sind, sind laut Forschern weitere Studien zur Logistik des Sammelns, Transportierens und Umgangs mit großen Mengen von Batterien erforderlich. "Die nächste Herausforderung besteht darin, herauszufinden, wie diese Logistik optimiert werden kann", sagte Chen. "Und das wird diesen Recyclingprozess der Akzeptanz in der Industrie näher bringen."
Das wegnehmen
Mit alten Reifen und Batterien warfen die Menschen sie einfach in den Wald und ließen die Natur ihren Lauf nehmen. Wenn wir etwas Ähnliches mit alten Traktionsbatterien machen würden, würden wir eine Umweltkatastrophe von epischen Ausmaßen schaffen. Nicht nur das, wir würden viele der Rohstoffe wegwerfen, die wir brauchen, um neue Batterien herzustellen, was für uns ziemlich dumm wäre. Aber wenn Recycling nicht kostengünstig ist, wird genau das passieren. Die gute Nachricht des UCSD-Teams ist, dass die Kosten für das Recycling bestimmter Batterietypen sinken, während die Umweltbedenken durch den Prozess ebenfalls sinken. Das ist eine doppelte Dosis guter Nachrichten zu einem Zeitpunkt, an dem frohe Nachrichten Mangelware sind.
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Über den Autor
Steve Hanley Steve schreibt über die Schnittstelle zwischen Technologie und Nachhaltigkeit in seinen Häusern in Florida und Connecticut oder anderswo, wo ihn die Singularität führen könnte. Du kannst ihm folgen Twitter aber nicht auf Social-Media-Plattformen, die von bösen Overlords wie Facebook betrieben werden.