de.wedoany.com-Bericht: Ein Forschungsteam der Universität von Kalifornien in San Diego hat ein Recyclingverfahren entwickelt, das Materialien aus verbrauchten Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFP) direkt in eine Kathode aus Lithium-Mangan-Eisenphosphat (LMFP) umwandelt. Dadurch speichert die regenerierte Batterie mehr Energie als das Originalprodukt, während die Sicherheit und die lange Zyklenlebensdauer von LFP-Batterien erhalten bleiben.
LFP-Batterien machen fast die Hälfte des globalen Marktes für Lithium-Ionen-Batterien aus und werden häufig in Elektrofahrzeugen und großen Energiespeichersystemen eingesetzt. Da eine große Anzahl von Batterien kurz vor dem Ende ihrer Lebensdauer steht, werden effiziente und umweltfreundliche Recyclinglösungen immer dringender. Herkömmliche Recyclingmethoden sind auf hohe Temperaturen oder starke Chemikalien angewiesen, verbrauchen viel Energie und erzeugen große Mengen an Abfall und Emissionen. Der Erstautor der Studie, Postdoktorand Wei Li aus dem Labor von Zheng Chen an der Universität von Kalifornien in San Diego, weist darauf hin, dass solche Verfahren nicht umweltfreundlich sind.
Das Team hatte zuvor bereits verbrauchte LFP-Materialien wieder in frische LFP-Materialien umgewandelt, jedoch ohne Änderung der chemischen Zusammensetzung. Die neue Methode hingegen wandelt die Kathode in LMFP um, das mehr Energie speichern kann und so eine wertvollere Endnutzung für verbrauchte Batterien bietet. Der Forschungsleiter Zheng Chen fügte hinzu, dass dieses Upcycling dazu beitragen könnte, ausgediente Batterien wirtschaftlicher zu machen.
Der Recyclingprozess beginnt mit dem Zerlegen des Batteriepakets und dem Entnehmen der inneren Wickelkerne. Die Forscher schneiden die Wickelschichten in Stücke, tauchen sie in Wasser und schütteln sie leicht, um die Kathodenbeschichtung von der Aluminiumfolie zu trennen, die ebenfalls separat recycelt werden kann. Das abgetrennte Kathodenmaterial wird getrocknet und zu einem feinen schwarzen Pulver gemahlen, dem dann Lithium, Mangan und Phosphat als Vorläufer für LMFP zugesetzt werden.
Die größte Herausforderung bestand darin, dass die zugesetzten Salze nicht mit der Kristallstruktur des ursprünglichen LFP-Materials kompatibel sind. Ein direktes Mischen würde zu einer ungleichmäßigen Atomverteilung und einer Verschlechterung der elektrochemischen Leistung führen. Das Team stellte daher zunächst eine Zwischenverbindung, Lithium-Manganphosphat (LMP), her, deren Kristallstruktur der von LFP ähnelt. Nach dem feinen Vermahlen und Mischen der Pulver wird die Mischung erhitzt. LMP bildet sich zuerst und vermischt sich gleichmäßig mit LFP. Manganatome ersetzen nach und nach einen Teil des Eisens, wodurch eine gleichmäßige LMFP-Struktur entsteht. Auf der Oberfläche jedes Partikels bildet sich zudem eine dünne Kohlenstoffschicht, die die Leitfähigkeit verbessert und das Material während zahlreicher Lade- und Entladezyklen stabil schützt.
Das upgecycelte LMFP-Material zeigte sowohl in Labor-Knopfzellen als auch in Pouch-Zellen, die reale Anwendungen simulieren, eine gute Leistung. Letztere ähneln stärker den Einsatzbedingungen in Elektrofahrzeugen und großen Energiespeichersystemen. Die Forscher testeten das Verfahren mit verbrauchten LFP-Batterien verschiedener Hersteller und skalierten den Prozess auf Kilogramm-Niveau. Das Team plant, die Prozesseffizienz sowie die Materialzusammensetzung und -struktur weiter zu verbessern, um sich auf das Recycling in großem Maßstab vorzubereiten.
Die Studie wurde in der Fachzeitschrift „Joule" veröffentlicht.
