Direktes Recycling bei nickel-reichen Schichtoxidkathoden erfolgreich
Nickel-reiche Schichtoxide wie Lithium-Nickel-Kobalt-Mangan-Oxid (NCM) gelten als geeignetes Kathodenmaterial für hochenergetische Lithium-Ionen-Batterien. Das direkte Recycling dieses Materials ist ein wichtiger Schritt, um die Nachhaltigkeit dieser Zellsysteme weiter zu erhöhen. Im Gegensatz zur herkömmlichen Wiederverwertung wird beim direkten Recycling das Material aus alten Batterien nicht erst wieder in seine Einzelteile zerlegt und von Grund auf neu synthetisiert, sondern die gealterten Stoffe verjüngt und direkt im Zellbau weiterverwendet. In einer aktuellen Studie haben Wissenschaftler*innen des MEET Batterieforschungszentrums, des Instituts für anorganische und analytische Chemie sowie des Instituts für Materialphysik der Universität Münster und des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) die bisher für NCMs wenig erforschte Methode genauer untersucht.
Konkurrenzfähige Leistung der recycelten Kathode
Konventionelle Formen des Batterierecyclings sind mit enormem Aufwand und hohen Kosten verbunden, wohingegen die direkte Wiederverwertung im Vergleich Energie und Geld spart. Dem Forschungsteam gelang es, durch Lithiierung den Vorrat des Energieträgers in den Kathoden wieder aufzufüllen, die vergrößerte Oberfläche der Partikel zu verringern und die Schichtstruktur, die an einigen Stellen verloren gegangen war, wiederherzustellen. Dabei konnte die Polykristallinität und die Klopfdichte beibehalten werden. „Das recycelte Kathodenmaterial weist eine überraschend gute Leistung für die ersten hundert Lade- und Entladezyklen auf, die vergleichbar mit ungealtertem Material ist,“ erläutert MEET Wissenschaftlerin Maike Gnutzmann den Erfolg der Studie.
Kathoden sind die teuersten Bestandteile von Batterien, umso wichtiger ist die Wiederverwertung der verwendeten Materialien. Während konventionelle Methoden bereits industriell etabliert sind, ist das direkte Recycling noch Thema der Wissenschaft. „Diese Form der Wiederverwertung ist eine wichtige Schlüsseltechnologie, um eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft für gebrauchte Lithium-Ionen-Batterien zu etablieren“, erklärt Dr. Johannes Kasnatscheew, Leiter des Forschungsbereichs Materialien des MEET Batterieforschungszentrums. Noch sind aber der Anstieg des Widerstands und der Kapazitätsabfall nach mehr als 100 Ladezyklen ebenso eine Herausforderung für die Wissenschaftler*innen wie die hohen Temperaturen während des Recyclings, die das Material schädigen können. Um die Technologie systematisch weiterzuentwickeln und zu optimieren, sind nun weitere Untersuchungen notwendig.
Detaillierte Ergebnisse online abrufbar
Die gesamte Studie haben die Forschenden Maike Michelle Gnutzmann, Bixian Ying, Julius Buchmann, Marco Joes Lüther, Dr. Aurora Gomez‑Martin, Dr. Karin Kleiner und Dr. Johannes Kasnatscheew, MEET Batterieforschungszentrum, sowie Prof. Dr. Martin Winter, MEET Batterieforschungszentrum und Helmholtz-Institut Münster, und Ardavan Makvandi, Dr. Martin Peterlechner und Prof. Dr. Gerhard Wilde, Institut für Materialphysik der Universität Münster, sowie Bianca Helm, Institut für anorganische und analytische Chemie der Universität Münster, und Dr. Peter Nagel, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), im Fachmagazin „Advanced Energy Materials” veröffentlicht.