Wie das Recycling von Batterien uns helfen könnte, im Wettlauf um die Dekarbonisierung Schritt zu halten

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Bald an ein Stromnetz in Ihrer Nähe: Saubere Energie (Batterien nicht im Lieferumfang enthalten)

Vielleicht werfen Sie Ihre verbrauchten Batterien in ein Glas auf Ihrer Küchentheke. Oder vielleicht ist es eine Ecke einer Müllschublade, in der sich nach und nach AA- und D-Zellen ansammeln, nachdem Ihre TV-Fernbedienungen, Rauchmelder und Uhren keinen Strom mehr haben. Und wenn Sie besonders befürchten, dass Chemikalien in die Wasserversorgung gelangen oder Müllbrände entstehen, sind Sie vielleicht einer der wenigen, die diese ruhenden Metalle zu einem Recyclingzentrum schicken.

Wenn Sie zu Letzteren gehören, ein großes Lob an Sie. Aber es lauern noch mehr Batterien in Ihrem Leben. Lithium-Ionen-Batterien betreiben unsere Smartphones und Laptops, elektrischen Zahnbürsten und Elektroautos. Selbst wenn Sie diese leistungsstarken Batterien nicht recyceln, müssen die Vereinigten Staaten – und die Welt – es tun.

„Wir werden viele Batterien brauchen“, sagte er Paul Gasper, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Gruppe Elektrochemische Energiespeicherung am National Renewable Energy Laboratory (NREL). „Wir werden viele davon sowohl für Fahrzeuge als auch für die Speicherung von Energie aus erneuerbaren Energieerzeugungsmethoden wie Sonne oder Wind benötigen.“

Da das Land sein Stromnetz sowie alle Autos, Lastwagen, Züge und sogar Flugzeuge dekarbonisiert, benötigen die Amerikaner eine Batteriebatterie, um diese Fahrzeuge zu elektrifizieren und Strom zu speichern, wenn die Sonne nicht scheint und der Wind nicht weht.

Aber der Abbau von mehr Metallen zur Herstellung von mehr Batterien verbraucht enorme Mengen an Energie und stößt Treibhausgase aus. Außerdem enthält die Erde einfach nicht genügend zugängliches Metall, das wir abbauen könnten. Wir brauchen eine andere Möglichkeit, unser Energiespeicher-Füllhorn anzuhäufen – eine, die billigere, leistungsstärkere Batterien mit geringeren Umweltkosten liefert.

Und genau das ist es was ein Team von NREL-Forschern untersucht. Zusammen mit Mitarbeitern des neuen US-Energieministeriums ReCell CenterGasper und Kollegen arbeiten daran, die Art und Weise zu verbessern, wie das Land diese leistungsstarken Materialien herstellt, recycelt und wiederverwendet.

Kurz gesagt, sie bauen die Batterie wieder auf.

„Die Anzahl der Batterien, die wir derzeit weltweit produzieren, wächst jedes Jahr sehr schnell“, sagte Gasper. „Wir müssen wirklich sicherstellen, dass diese Batterien sicher sind und lange halten und dass wir diese wertvollen Ressourcen am Ende zurückgewinnen.“

Aber das Recycling von Batterien ist keine einfache Aufgabe.

Historisch gesehen nahm der Prozess eine von zwei Formen an. Verbrauchte Batterien wurden entweder in einem Ofen eingeschmolzen oder in Säure gelöst. Die erste Option verschwendet viel Energie und keine der beiden Optionen gewinnt alle wertvollen Materialien zurück.

Auch Lithium-Ionen-Akkus sind nicht gleich Lithium-Ionen-Akkus. Ein Telefon braucht einen anderen Akku als ein Elektroauto. Und jede Zelle enthält schichtweise Metalle, darunter Lithium, aber auch Nickel, Kobalt und Mangan, die sich nicht immer auf die gleiche Weise abbauen. Einige Batterien können sicher zerdrückt werden, andere jedoch nicht. Jede stillgelegte Zelle ist ein eigenes Recycling-Puzzle.

„Die anfänglichen Strategien zum Recycling von Batterien sind etwas anspruchsvoller, wenn man das Ausmaß des Problems bedenkt, mit dem wir es zu tun haben“, sagte er Kae Finkein Forscher im Energy Conversion and Storage Systems Center des NREL.

Fink und Gasper erforschen eine relativ neue Möglichkeit, Batterien zu recyceln direktes Recycling. Durch direktes Recycling können sie eine Batterie zerlegen, ohne die chemischen Strukturen der Metalle zu zerstören. Dieser schonendere Prozess könnte im Vergleich zu den bisherigen, zerstörerischeren Recyclingmethoden dazu beitragen, mehr Materialien zurückzugewinnen.

Gasper nutzt außerdem maschinelles Lernen, um gebrauchte Batterien schnell zu untersuchen und ihren Zustand zu beurteilen. Mit diesen Daten kann er dann die verbrauchten Zellen selektieren. Gesunde Zellen könnten beispielsweise für neue Anwendungen wiederverwendet werden; einigermaßen gesunde Zellen könnten direkt recycelt werden, um ihre Elektrodenmaterialien zu extrahieren; Aber die ungesunden Zellen könnten ohne die ursprüngliche Ofen- oder Säuremethode möglicherweise nicht mehr zu retten sein.

Doch Fink will mehr als nur Batterien recyceln. Sie möchte sie upcyclen.

„Wir denken darüber nach, wie wir einen Schritt überspringen oder die Lücke überspringen und aus dem recycelten Produkt tatsächlich ein besser technisches Material herstellen können, das noch fortschrittlicher ist und in Batterien der nächsten Generation verwendet werden kann“, sagte sie.

Upcycling könnte uns mehr für weniger Geld bringen – mehr Batterieleistung für weniger Geld, Material und Energie.

Und auch die nächste Batteriegeneration könnte weniger auf Lithium angewiesen sein. Einige zukünftige Batterien könnten mit Schwefel betrieben werden, der häufiger vorkommt und leichter zu beschaffen ist als Lithium. Aber Schwefel bringt seine eigenen Herausforderungen mit sich. Da das Material mit Sauerstoff reagiert, müssten schwefelbasierte Batterien in sauerstofffreien Umgebungen hergestellt werden.

„Wie gehen Sie damit um?“ sagte Matt Keyserleitender Forscher in der Gruppe für elektrochemische Energiespeicherung am NREL.

Keyser und sein Team erforschen auch andere potenzielle neue Designs, wie z Festkörperbatterien. Festkörperbatterien, die feste statt flüssiger Elektroden und Elektrolyte verwenden, könnten mehr Leistung in kleinere Zellen packen, wodurch Elektrofahrzeuge längere Strecken zwischen Ladepunkten zurücklegen und möglicherweise auch ihre Kosten senken könnten.

Aber auch wenn Keyser Festkörperbatterien als „die neue Revolution der Lithium-Ionen-Batterien“ bezeichnet, sind auch diese nicht unproblematisch. Sie benötigen zum Betrieb einen hohen Druck. Derzeit entwickeln NREL-Wissenschaftler neue Fertigungstechniken, um diesen Druckbedarf von 10.000 PSI – oder Pfund Druck pro Quadratzoll – auf 50 PSI zu reduzieren (ein Autoreifen hat durchschnittlich etwa 36 PSI).

„Das ist ein großer Unterschied“, sagte Keyser. „Die Autohersteller werden 10.000 PSI nicht akzeptieren. Es gibt keine Möglichkeit, das in ein Fahrzeug zu packen.“

Niemand würde ein Fahrzeug kaufen, das so platzen könnte wie eine geschüttelte Getränkedose.

Wenn es Keyser, Fink, Gasper und der ReCell Center-Gemeinschaft gelingt, eine neue Generation sicherer, langlebigerer und billigerer Batterien zu entwickeln, könnte dieses Energiespeicherbataillon nicht nur dazu beitragen, Elektronik, einschließlich Elektrofahrzeuge, erschwinglicher und zugänglicher zu machen; Sie könnten dem Land auch dabei helfen, ein zuverlässiges, zu 100 % sauberes Energienetz aufzubauen.

„Jeder möchte, dass sein Handy länger hält. „Jeder möchte, dass sein Tablet länger hält“, sagte Keyser.

Jeder möchte auch, dass sein Planet länger existiert.

Erfahren Sie mehr darüber, wie NREL-Forscher arbeiten Neugestaltung von Batterien und anderen Energiespeichertechnologien eine 100 % saubere Energiezukunft zu schaffen und Vorreiter zu sein Lösungen für das Batterierecycling mit ganzheitlicher und zukunftsweisender Forschung.

Von Caitlin McDermott-Murphy, aus NREL.