Ein einfaches, hocheffizientes, kostengünstiges und umweltfreundliches Verfahren könnte einen gangbaren Weg für das nachhaltige Recycling verbrauchter Lithium-Ionen-Akkus bieten. Es müssen keine weiteren Chemikalien als Zitronensäure hinzugefügt werden, um über 99% der in NCM-Akkus enthaltenen Metalle Lithium, Nickel, Kobalt und Mangan auszulaugen und abzutrennen. Das so gewonnene Recyclingmaterial kann direkt zu NCM-Elektroden verarbeitet werden, berichtet ein Forscherteam.
Von Smartphones bis hin zu Elektrofahrzeugen sind Lithium-Ionen-Akkus in unserem täglichen Leben allgegenwärtig. Sie sind auch ein wichtiger Bestandteil unserer Umstellung auf erneuerbare Energien, da sie dazu verwendet werden, überschüssige Sonnen- und Windenergie zu speichern und bei Bedarf wieder in das Stromnetz einzuspeisen. Der Nachteil ist, dass ihre begrenzte Lebensdauer dazu führt, dass eine große Menge gefährlicher Schwermetalle und andere gefährliche Materialien anfallen. Darüber hinaus werden die Metallressourcen erschöpft.
Die meisten Recyclingverfahren sind mit einem hohen Energieverbrauch, hohen Emissionen und einer begrenzten oder minderwertigen Qualität des zurückgewonnenen Materials verbunden. Oder sie erfordern sehr große Mengen an Chemikalien, sind kompliziert und teuer und erzeugen giftige Gase und Abwässer. Die Auslaugung mit biokompatiblen Säuren wie Zitronensäure ist eine Alternative zu diesen Verfahren. Herkömmliche Verfahren erfordern jedoch einen erheblichen Überschuss an Säure, und der pH-Wert muss ständig mit Ammoniak eingestellt werden – kompliziert und nicht sehr umweltfreundlich.
Ein Forscherteam aus China hat nun ein neuartiges, auf Zitronensäure basierendes Verfahren zur Auslaugung, Trennung und Rückgewinnung von Metallen aus NCM-Kathoden entwickelt. NCM ist ein Mischoxid, das Nickel, Kobalt und Mangan in einer lamellenartigen Struktur enthält. Zwischen den Schichten sind Lithium-Ionen eingeschlossen.
Weniger (Zitronensäure) ist mehr
Der Trick bei ihrer Methode: Statt wie bei herkömmlichen Methoden mit einem Überschuss an Zitronensäure zu laugen, verwenden sie eine relativ geringe Menge. Dadurch dissoziieren nur zwei der drei Säuregruppen in der Zitronensäure. Die freigesetzten Protonen brechen die Lithium-Sauerstoff-Bindungen auf und setzen Lithium-Ionen aus dem NCM in die Lösung frei. Auch die Bindungen zwischen den anderen Metall-Ionen und den Sauerstoff-Ionen werden aufgebrochen. Nickel, Kobalt und Mangan gelangen in die Lösung, wo sie von den Zitronensäureanionen zu stabilen Komplexen gebunden werden.
Die dritte Säuregruppe der Zitronensäure reagiert dann mit der Hydroxylgruppe desselben Moleküls. Es kommt zu einem Ringschluss in einer intramolekularen Veresterungsreaktion (Fischer-Lactonisierung). Dies erleichtert die Reaktion der Zwischenprodukte miteinander zu einem Polyester, der zu festen Partikeln geliert, die sich leicht abtrennen lassen. Der Energieverbrauch und die CO2-Emissionen sind deutlich geringer als bei herkömmlichen hydrometallurgischen Recyclingverfahren. Das Gel kann anschließend erhitzt werden, um das organische Fragment abzubrennen. Das Ergebnis ist ein neues NCM-Lamellengerüst mit eingeschlossenen Lithium-Ionen, das als hochwertiges Elektrodenmaterial verwendet werden kann.
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