95 Prozent Kapazität zurückgewonnen: Cornell-Verfahren revolutioniert Batterierecycling

Lithium-Ionen-Akkus verlieren über die Zeit an Kapazität – nicht weil ihre innere Struktur zerstört wird, sondern weil sich eine isolierende Schicht auf den Elektroden aufbaut. Forscher:innen der Cornell University haben nun ein Verfahren entwickelt, das genau diese Schicht gezielt entfernt und die Elektroden dabei intakt lässt. Das Ergebnis: Akkus mit bis zu 95 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität.

Das Problem mit herkömmlichem Recycling

Wer eine Lithium-Ionen-Batterie recycelt, zerstört sie zuerst. Im Standardverfahren werden Akkus vollständig entladen, auseinandergebaut und anschließend mechanisch zerkleinert. Das entstandene schwarze Pulver – die sogenannte Schwarzmasse – wird mit aggressiven Säuren oder bei extrem hohen Temperaturen behandelt, um Lithium, Nickel, Kobalt und andere Wertstoffe zurückzugewinnen. Diese müssen danach aufwendig neu synthetisiert werden, bevor sie wieder in Elektroden einfließen können.

Chemieingenieurin Vibha Kalra, die das Projekt an der Cornell University leitete, fasst das zentrale Paradoxon zusammen: Batterien mit strukturell intakten Elektroden werden pulverisiert, um daraus später wieder – Elektroden herzustellen. Die eigentliche Ursache des Kapazitätsverlustes unter normalen Betriebsbedingungen ist nämlich meist nicht physische Zerstörung, sondern der Aufbau der sogenannten Solid Electrolyte Interphase (SEI). Diese Schicht bildet sich mit jedem Ladevorgang an Kathode und Anode, erhöht den Widerstand und drosselt schrittweise die Speicherleistung.

Elektrodenbad statt Schredder

Das neue Verfahren trägt den Namen Direct Electrode-to-Electrode Regeneration, kurz DEER. Statt die Batterie zu zerschreddern, öffnen die Forscher:innen sie kontrolliert, entnehmen die Elektroden vollständig und tauchen sie in eine elektrochemische Lösung aus 1,3-Dimethyl-2-Imidazolidinon. Diese Flüssigkeit löst die verdickte SEI-Schicht auf, ohne die darunterliegenden Strukturen anzugreifen.

Als Nebeneffekt entsteht eine dünne Lithiumfluorid-Schicht, die die Elektrode stabilisiert und weiteres SEI-Wachstum hemmt. Die regenerierten Elektroden werden anschließend in neue Batteriezellen eingebaut – ohne Umweg über Pulverisierung und chemische Neusynthese.

Niedrigere Kosten, geringere Umweltbelastung

In Tests mit Akkus, die noch 70 bis 80 Prozent ihrer ursprünglichen Kapazität aufwiesen – typisch für ausgediente Elektrofahrzeug-Batterien – erreichte das Verfahren eine Wiederherstellung von 95 Prozent. Zudem zeigten die regenerierten Zellen eine längere Lebensdauer als nach herkömmlichem Recycling aufgearbeitete Batterien.

Eine techno-ökonomische Analyse, durchgeführt mit Open-Source-Software des Argonne National Laboratory, beziffert die Kostenersparnis gegenüber konventionellem Recycling auf 56 Prozent. Gleichzeitig fallen weniger Luftschadstoffe an und der Wasserverbrauch sinkt. Die Studie erschien Anfang Juni im Fachjournal Energy and Environmental Science.

Das Team will DEER als nächstes an industriellen Batterien erproben und das Verfahren auf weitere Degradationsmechanismen ausdehnen – etwa den Verlust aktiven Lithiums. Gelingt das, könnten künftig auch Akkus mit stärkerem Verschleiß wieder in den Kreislauf zurückgeführt werden.

via Cornell University