Effect of element composition of cathode on the carbothermic reduction of spent lithium-ion electrode materials

Jeden Tag verlassen sich Millionen von Menschen auf Lithium-Ionen-Batterien, um ihre Telefone, Laptops und Elektroautos mit Strom zu versorgen. Diese Geräte sind Wunderwerke moderner Ingenieurskunst, aber sie haben eine begrenzte Lebensdauer. Wenn eine Batterie keine Ladung mehr hält, wird sie zu Abfall, doch sie ist gleichzeitig eine Schatzkammer wertvoller Metalle wie Lithium, Nickel und Kobalt. Die Rückgewinnung dieser Materialien ist entscheidend für die Zukunft der sauberen Energie, da sie die Notwendigkeit verringert, neue Minen zu graben, und verhindert, dass sich giftiger Abfall anhäuft. Eine vielversprechende Methode, diese Batterien zu recyceln, besteht darin, sie mit Kohlenstoff zu erhitzen – ein Prozess, der die komplexen Batteriematerialien in einfachere Formen zerlegt, die anschließend leicht mit Wasser ausgewaschen werden können, um das Lithium zu extrahieren. Nicht alle Batterien sind jedoch auf die gleiche Weise aufgebaut. Die chemische Zusammensetzung der positiven Elektrode, oder Kathode, einer Batterie variiert erheblich von einem Modell zum anderen, und Wissenschaftler haben sich lange gefragt, wie sich diese Unterschiede auf den Recyclingprozess auswirken.

Ein Forschungsteam der China University of Mining and Technology und Beichen Advanced Recycling Technology setzte sich zum Ziel, genau zu verstehen, wie die spezifische Mischung der Metalle in der Kathode einer Batterie die Art und Weise verändert, wie sie während dieses Erhitzungsprozesses zerfällt. Sie konzentrierten sich auf drei gängige Arten von nickelreichen Kathoden, die in gebrauchten Batterien vorkommen: eine mit einer ausgewogenen Mischung aus Nickel, Kobalt und Mangan; eine mit einem sehr hohen Nickelanteil und sehr wenig Mangan; und eine dritte, die fast gar kein Mangan enthält. Durch das Mischen dieser gebrauchten Kathodenmaterialien mit dem Graphit der negativen Elektrode der Batterie und das Erhitzen in einer kontrollierten Umgebung konnten die Forscher die chemischen Reaktionen beobachten, während sie stattfanden. Sie maßen, wie sich die Masse der Probe veränderte, wie viel Wärme sie absorbierte oder freisetzte und die Geschwindigkeit, mit der die Reaktionen abliefen. Dies ermöglichte es ihnen, den präzisen Pfad nachzuzeichnen, den die Materialien einschlugen, während sie sich von festen Batterieteilen in rückgewinnbare Metalle und Salze verwandelten.

Die Studie ergab, dass die Zusammensetzung der Kathode wie ein Hauptschalter für den Recyclingprozess wirkt. Die Forscher fanden heraus, dass das Material mit dem höchsten Nickelgehalt und fast keinem Mangan auf die direkteste und vorhersehbarste Weise zerfiel. Seine Reaktion folgte einem einzigen, stetigen Pfad, der eine moderate Menge an Energie benötigte, um zu beginnen, und die Energieniveaus während des gesamten Prozesses beibehielt. Im Gegensatz dazu verhielt sich das Material mit einer ausgewogeneren Metallmischung wie ein komplexes, mehrstufiges Ereignis. Es erforderte einen viel höheren anfänglichen Energieschub, um den Zerfall einzuleiten, und während die Reaktion fortschritt, änderten sich die Schritte, die es vollzog, wodurch sie schwieriger vorhersehbar wurden. Das Material mit dem höchsten Mangananteil war am widerspenstigsten; es leistete Widerstand gegen den Zerfall zu Beginn, forderte die meiste Energie, um seine stabile Struktur zu überwinden, und seine Reaktion beinhaltete ein wirres Geflecht aus gleichzeitigen Schritten, was ihn am schwersten kontrollierbar machte.

Diese Unterschiede sind in der grundlegenden Natur der beteiligten Metalle begründet. Die Forschung zeigte, dass Nickel und Kobalt relativ leicht zu reduzieren sind, was bedeutet, dass man sie mit weniger Aufwand von ihrem Sauerstoff trennen und in einfachere Formen überführen kann. Mangan hingegen ist viel schwieriger zu reduzieren und neigt dazu, seine Struktur beizubehalten, wodurch es als Stabilisator wirkt, der das gesamte Batteriematerial schwerer zerteilbar macht. Wenn die Forscher den Anteil an Nickel und Kobalt erhöhten und Mangan entfernten, sank der Gesamtenergiebedarf für das Recycling der Batterie und der Prozess wurde reibungsloser. Umgekehrt, wenn Mangan in höheren Mengen vorhanden war, stärkte es die interne Struktur der Batterie, was den Recyclingprozess dazu zwang, gegen diese Stabilität anzukämpfen, was alles verlangsamte und den Reaktionsweg komplizierter machte.

Um zu sehen, ob sich diese Erkenntnisse in einer praktischen Umgebung bewährten, nahmen das Team die erhitzten Materialien und wusch sie mit Wasser, um zu sehen, wie viel Lithium sie zurückgewinnen konnten. Sie entdeckten, dass die Temperatur des Erhitzungsprozesses entscheidend war. Wenn die Temperatur zu niedrig war, wurden die Batteriematerialien nicht ausreichend abgebaut, um das Lithium freizusetzen. Wenn sie zu hoch war, begannen die Materialien zu verklumpen, wodurch das Lithium im Inneren eingeschlossen wurde. Der ideale Punkt für alle drei Arten von Batterien wurde bei 700 Grad Celsius gefunden. Bei dieser Temperatur konnten die Forscher die höchste Menge an Lithium aus jedem Material extrahieren. Die Ergebnisse variierten je nach Zusammensetzung: Das manganfreie Material lieferte am meisten Lithium, gefolgt von der nickelreichen Mischung und schließlich der ausgewogenen Mischung. Dies bestätigte, dass je leichter ein Material chemisch abbaubar ist, desto effizienter kann das wertvolle Lithium zurückgewonnen werden.

Letztlich bietet diese Arbeit einen klaren Leitfaden für den Umgang mit verschiedenen Arten von Altbatterien. Sie zeigt, dass das Recycling zwar für alle diese Materialien möglich ist, das Rezept für den Erfolg jedoch davon abhängt, was in ihnen enthalten ist. Batterien mit weniger Mangan sind einfacher zu verarbeiten und liefern bessere Ergebnisse, während solche mit mehr Mangan eine sorgfältigere Kontrolle und höhere Energiezufuhr erfordern. Durch das Verständnis dieser spezifischen chemischen Verhaltensweisen können Ingenieure bessere Recyclinganlagen entwerfen, die ihre Erhitzungs- und Verarbeitungsverfahren an den exakten Typ der Batterie abstimmen, die sie gerade behandeln. Diese Präzision stellt sicher, dass die wertvollen Ressourcen in unseren alten Batterien effizient zurückgewonnen werden, wodurch der Abfall wieder in die Rohstoffe verwandelt wird, die für die nächste Generation der sauberen Energietechnologie benötigt werden.