US-Forscher recyceln Batterien mit Zitronensäure – und gewinnen 95 % der Rohstoffe zurück

Lithium-Ionen-Batterien stecken in Smartphones, Laptops und E-Autos. Je mehr davon verkauft werden, desto schneller wächst der Berg an Altbatterien. Weniger als 10 % davon werden laut der Rice University in Houston (Texas) heute weltweit recycelt. Der Rest landet auf Deponien, wo giftige Chemikalien in die Umwelt sickern. Das ist auch ein ökonomisches Problem, denn die darin enthaltenen Rohstoffe wie Lithium, Kobalt, und Mangan sind teuer und umkämpft. Recycling ist in der derzeitigen geopolitischen Lage das Gebot der Stunde, wie jüngst eine Studie der Uni Münster zeigte.

Doch viele der heute genutzten Verfahren sind selbst umweltschädlich und zudem wenig effizient. Ein Forscherteam der Rice University hat jetzt ein Verfahren entwickelt, das all diese Probleme auf einmal angeht.

So funktioniert das neue Verfahren

Das Prinzip:

• Ausgediente Batterien werden geschreddert.
• Das dadurch entstehende Gemisch aus Kathodenmaterialien und Graphit — in der Fachsprache „Black Mass“ genannt — wird anschließend 15 Minuten lang in einem speziell entwickelten Mikrowellen-Plasma-Reaktor behandelt. Dabei richten die Forscher ein Plasma auf das Material, das die Kristallstruktur der Metalloxide aufbricht und sie in eine leichter lösliche Form überführt.
• Die so behandelte Black Mass wird in ein Bad aus herkömmlicher Zitronensäure gelegt. Rund 95 % aller Übergangsmetalle (Kobalt, Nickel, Mangan) lösen sich darin. Das Lithium wird separat mit Wasser herausgelöst — mit einer Rückgewinnungsrate von 85 %.

Wie die Rice University am 25. März meldete, verliefen die Tests erfolgreich bei Raumtemperatur und „nichts Schärferem als der Säure einer Zitrone“, so Doktorand Gautam Chandrasekhar, Erstautor der Studie.

Upcycling statt Recycling?

Anders als andere experimentelle Recycling-Ansätze soll sich mit der Methode der Rice-Wissenschaftler das Graphit aus den Batterie-Anoden zurückgewinnen lassen. Bei vielen Verfahren wird das Anodenmaterial so stark beschädigt, dass es nicht wiederverwendet werden kann. Die Plasma-Behandlung soll hingegen Rückstände entfernen und strukturelle Defekte reparieren, die sich während der Batterienutzung im Graphit ansammeln.

Das recycelte Graphit habe in Tests sogar eine bessere Leistung als kommerziell hergestelltes Neumaterial erzielt, heißt es im Abstract der im Fachmagazin Advanced Materials veröffentlichten Studie. Wenn das stimmt, handelt es sich bei dem Verfahren nicht nur um Recycling, sondern um sogenanntes „Upcycling“: Das zurückgewonnene Graphit ist hochwertiger als das Original.

„Graphit ist als Anodenmaterial in kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien praktisch unersetzlich — und gleichzeitig das volumenmäßig größte Bauteil“, betont Sohini Bhattacharyya, eine Forscherin in der Arbeitsgruppe von Professor Pulickel Ajayan und Mitautorin der Studie. Dass es nun in batteriefähiger Qualität zurückgewonnen werden kann, könnte die Wirtschaftlichkeit des Batterie-Recyclings zusätzlich erhöhen.

Womit sich bisherige Methoden schwertun

Heutige Recyclingverfahren konzentrieren sich meist auf die Kathode und setzen auf sogenannte Hydrometallurgie oder Pyrometallurgie, also starke Säuren bei hohen Temperaturen oder das Einschmelzen des Materials. Beide Wege sind energie- und kostenintensiv. Die Rückgewinnungsraten für Lithium liegen in früheren Untersuchungen oft unter 5 %, weil das Leichtmetall erst nach allen anderen Metallen aus der Lösung gefällt wird.

„Industrielle Batterie-Recyclingprozesse haben eine sehr geringe Metallextraktionseffizienz und konzentrieren sich meist nur auf die Kathode“, so Xiang Zhang, Co-Erstautor der Studie.

Weltweit suchen Forscher daher nach effizienteren Verfahren. Am MIT arbeitet zum Beispiel ein Team an Batterien, die sich am Lebensende selbst zersetzen, ein sogenanntes „Recycling by Design“. Bei dem Ansatz der Rice-Forscher geht es hingegen darum, existierende Lithium-Batterien leichter zu recyceln, ohne dass sie anders gebaut werden müssen. Die Methode ist quasi als Vorbehandlungsschritt konzipiert, der sich in bestehende industrielle Recyclingprozesse integrieren lässt. Ein Upgrade für die vorhandene Infrastruktur.

Patent angemeldet, Kommerzialisierung geplant

Die US-Forscher haben ihre Technologie bereits patentieren lassen. Eine erste ökonomische Analyse deutet ihnen zufolge darauf hin, dass das Zitronensäure-Verfahren heutige Methoden wirtschaftlich übertreffen könnte. Gruppenleiter Pulickel Ajayan spricht von einer „Durchbruch-Methode für die Rückgewinnung aller kritischen Mineralien aus Batterie-Black-Mass mit minimalem Chemie- und Energieeinsatz“.

Ob die Texaner tatsächlich das Ei des Batterierecycling-Kolumbus gefunden haben, bleibt abzuwarten. Innovativ ist ihr Ansatz in jedem Fall.

Die Studie wurde im Fachjournal Advanced Materials veröffentlicht.