25.07.2023 Ι Das Forschungsprojekt ReKath – Reaktivierung von NMC Kathodenmaterial untersucht unter der Leitung von Prof. Dr. Stephan Appel, wie Kathodenmaterial von Lithium-Ionen-Batterien energiesparend, wirtschaftlich und einfach zu recyceln ist.

Sie sind millionenfach, in allen Größen und in den unterschiedlichsten elektronischen Geräten zu finden – Lithium-Ionen-Batterien. Sie sind leistungsfähig und können eine hohe Anzahl an Ladezyklen überstehen. Der Bedarf an Batterien ist hoch. Doch was geschieht mit den Akkus, wenn sie ausgetauscht werden müssen? Wie sind die verwendeten Rohstoffe effizient zu recyceln? Dieser Frage widmet sich das Forschungsprojekt ReKath – Reaktivierung von NMC Kathodenmaterial unter der Leitung von Prof. Dr. Stephan Appel von der Fakultät Angewandte Naturwissenschaften, Energie- und Gebäudetechnik.

Nickel, Kobalt und Lithium recyceln

Lithium-Ionen-Batterien sind Akkumulatoren, also wieder aufladbare Batterien. Sie ermöglichen nicht nur die Umwandlung chemischer Energie in elektrische, sondern auch die Speicherung elektrischer in Form von chemischer Energie. Der wertvollste Teil der Batterie ist das Kathodenmaterial mit der Bezeichnung NMC. Es enthält die Elemente Nickel, Mangan, Kobalt und Lithium. Die Europäische Union strebt bis 2035 einen verbindlichen Recyclingwert von mindestens 20 Prozent Kobalt, zwölf Prozent Nickel und zehn Prozent Lithium an. Herkömmliche Recycling-Verfahren zerlegen das Kathodenmaterial in seine chemischen Grundstoffe. Das ist kompliziert, energieaufwendig und kostenintensiv.

Kathodenmaterial: geringe elektrochemische Aktivität

„Im Forschungsprojekt DeMoBat, an dem wir ebenfalls beteiligt waren, hat sich gezeigt, dass sich die Zusammensetzung des NMCs kaum verändert, wenn es in einem wasserbasierten Verfahren zurückgewonnen wird“, berichtet die Wissenschaftlerin Claudia Schöberl, die an Ihrer Doktorarbeit über NMC-Materialien arbeitet.

Die Ergebnisse zeigen aber auch, dass die elektrochemische Aktivität im Vergleich zu neuem Kathodenmaterial sehr gering ist. Das Recyclingmaterial bedarf einer Reaktivierung: Mit einem einfachen Reinigungsverfahren sollen Fremdphasen, in Form von Aluminium, Graphit, Fluorverbindungen und Kupfer entfernt werden. Der geringe Verlust an Lithium kann durch Behandlung mit Lithiumsalzen wieder angehoben werden. Entscheidend ist jedoch eine kristallchemische Restrukturierung des Oberflächenbereichs der NMC-Partikel.

„Unsere Hypothese ist, dass die schwache elektrochemische Aktivität der untersuchten Materialien vor allem an einer Veränderung der Kristallstruktur im Oberflächenbereich liegt. Durch Glühen und Wiedereinbauen von Lithiumionen sollte die ursprüngliche Kristallstruktur wieder hergestellt werden können. Um unsere Vermutung zu überprüfen, führen wir Aufbereitungsversuche durch und untersuchen unter anderem die Kristallstruktur, die chemische Zusammensetzung und die elektrochemischen Oberflächeneigenschaften der Materialproben.“, sagt Prof. Dr. Stephan Appel.

Einsatz in der Industrie

Die zweite Forschungsstelle des Projekts ist das unabhängige Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie (fem) in Schwäbisch Gmünd, das die elektrotechnische Eignung des Materials untersucht. Das direkte Recycling-Verfahren mit Reaktivierung ist besonders für kleine und mittelständische Recyclingunternehmen und für Anlagenhersteller interessant, da es im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren einfacher, wirtschaftlicher und energiesparender ist. Dadurch könnte es indirekt auch zur Abschwächung geopolitischer Risiken beitragen.