Plasmaaufschluss vereinfacht Recycling von Battery Black Mass

Forscher der Rice University haben ein Recyclingverfahren für Lithium-Ionen-Batterien vorgestellt, das einen kurzen Plasmaaufschluss mit einer vergleichsweise milden hydrometallurgischen Nachbehandlung kombiniert. Ausgangsstoff ist sogenannte Battery Black Mass, also das nach dem Zerkleinern verbrauchter Zellen anfallende Gemisch aus Kathodenmaterialien, anodischem Graphit sowie weiteren Bestandteilen wie Lithium, Nickel, Kobalt, Mangan und Aluminium. Die Arbeit ist laut Universität in der Fachzeitschrift Advanced Materials erschienen. (news.rice.edu)

Mikrowellenplasma als Vorbehandlung im Batterierecycling

Technisch setzt das Verfahren auf eine 15-minütige Vorbehandlung in einem eigens aufgebauten Mikrowellenplasmareaktor. Dabei wird die Black Mass einem durch Mikrowellen angeregten Plasma ausgesetzt. Nach Angaben der Arbeitsgruppe soll dieser Schritt die Metalloxidpartikel so weit aufschließen, dass sich die nachfolgende Rückgewinnung in deutlich schwächeren Medien durchführen lässt als in konventionellen Prozessen. Im Abstract der Studie wird für die untersuchten Gasgemische H2 und N2 die höchste Wirksamkeit genannt. 

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Zitronensäure und Wasser für die Metallrückgewinnung

Der eigentliche Unterschied zu vielen etablierten Recyclingrouten liegt in der anschließenden Nasschemie. Statt hoher Temperaturen und starker Mineralsäuren verwendete das Team Zitronensäure bei Raumtemperatur. Laut Rice ließen sich nach dem Plasmaaufschluss mehr als 90 Prozent aller Metalle aus der Black Mass zurückgewinnen. Das Abstract der Fachpublikation präzisiert die Selektivität weiter und nennt rund 95 Prozent Rückgewinnung der Übergangsmetalle in 1 M Zitronensäure bei Raumtemperatur sowie eine selektive Lithiumrückgewinnung von 85 Prozent in Wasser. 

Graphit-Rückgewinnung für neue Batterieanoden

Besonders relevant ist dabei der Umgang mit Graphit. Nach Angaben der Forscher macht das Anodenmaterial rund 22 Prozent des Batteriegewichts aus, wird in heutigen Prozessen aber meist nicht in einer für neue Zellen geeigneten Form zurückgeführt. Die Plasma-Vorbehandlung soll Rückstände und Strukturdefekte entfernen, die sich während des Batteriebetriebs bilden. Das zurückgewonnene Graphit zeigte laut Rice eine gute Anodenleistung bei der Wiedereinbringung in Batterien. 

Skalierbares Batterierecycling für die industrielle Anwendung

Aus Sicht der Arbeitsgruppe ist das Verfahren vor allem als vorgeschalteter Prozessschritt interessant, der sich an bestehende industrielle Recyclinglinien anbinden lässt. Ziel ist eine höhere Extraktionseffizienz bei geringerem Chemikalien- und Energieeinsatz und mit Rückgewinnung aller kritischen Fraktionen einschließlich Graphit. Die Technologie ist nach Angaben der Universität bereits patentiert, zudem läuft die Vorbereitung einer Kommerzialisierung. Eine erste technoökonomische Analyse deutet laut Rice darauf hin, dass der Ansatz gegenüber heutigen Verfahren Vorteile haben könnte, insbesondere weil Graphit in wiederverwendbarer Qualität erhalten bleibt.