Forscher haben einen neuen Ansatz entwickelt, um das Recycling von Batterien zu erleichtern. Hintergrund ist ein selbstzerstörendes Material.
Der aktuelle Boom bei Elektrofahrzeugen wird künftig viel Elektroschrott verursachen. Während unzählige Bemühungen im Gange sind, das Batterie-Recycling zu verbessern, landen immer noch viele Batterien auf Mülldeponien. Forscher des MIT fanden nun eine potenzielle Lösung.
Dabei handelt es sich um ein neues, sich selbst organisierendes Batteriematerial, das sich schnell auflösen kann, wenn es in eine einfache organische Flüssigkeit getaucht wird. Dieser Ansatz verspricht eine Alternative zum Zerkleinern einer Batterie in eine schwer zu recycelnde, vermischte Masse. Stattdessen löst sich die gesamte Batterie auf.
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Aktuelle Batterien haben drei Hauptkomponenten: eine positiv geladene Kathode, eine negativ geladene Elektrode und einen Elektrolyt, der Lithium-Ionen zwischen ihnen hin- und herbewegt. Die Elektrolyte in den meisten Lithium-Ionen-Batterien sind jedoch hochentzündlich und zerfallen im Laufe der Zeit in giftige Nebenprodukte.
Um das Recycling zu vereinfachen, nutzten die Forscher einen nachhaltigeren Elektrolyt. Dabei handelt es sich um eine Klasse von Molekülen namens Aramid-Amphiphile (AAs), die sich in Wasser selbstständig zusammensetzen und deren chemische Struktur und Stabilität an Kevlar erinnern.
Batterie-Recycling: Nachhaltiges Elektrolyt eine magische Lösung?
Laut Studienautor Yukio Cho war seine Inspiration eine Szene aus einem „Harry-Potter“-Film, in der Professor Dumbledore ein baufälliges Haus mit einer Handbewegung aufräumt. Als Cho später eine Präsentation über Moleküle sah, die sich selbst in komplexe Strukturen zusammensetzen und dann in ihre ursprüngliche Form zurückkehren können, fragte er sich, ob dies für das Batterie-Recycling genutzt werden könnte.
Das Verfahren könnte einen Paradigmenwechsel für die Batterieindustrie darstellen, die derzeit auf aggressive Chemikalien und komplexe Verarbeitungsprozesse angewiesen ist. Die Forscher gaben den Molekülen eine Eigenschaft, die es ihnen ermöglichte, Lithium-Ionen zu leiten. Wenn das Team die Moleküle ins Wasser taucht, bilden sie spontan mechanisch stabile Nanobänder.
Diese Nanobänder haben eine flexible Kette, die als „Nest“ für Lithium-Ionen dient. Anschließend pressten die Forscher die Nanobänder zu einem festen Material. Sie bauten eine Festkörperbatteriezelle und demonstrierten, dass die Nanobänder erfolgreich Lithium-Ionen zwischen den Elektroden transportierten. Die Leistung war jedoch durch einen Nebeneffekt namens Polarisation eingeschränkt, der die Bewegung der Lithium-Ionen während des Ladens behinderte.
Die Zukunft des Batterie-Recyclings?
Trotz der anfänglichen Leistungsprobleme ist das Material ein Machbarkeitsnachweis für einen „Recycling-zuerst“-Ansatz beim Batteriedesign. Als die Forscher die Batteriezelle in organische Lösungsmittel tauchten, löste sich das Material sofort auf. Cho verglich die Reaktion mit dem Auflösen von Zuckerwatte in Wasser.
Der Elektrolyt hält die beiden Elektroden zusammen und bietet die Wege für die Lithium-Ionen, sodass beim Recycling die gesamte Elektrolytschicht auf natürliche Weise abfallen kann und Unternehmen die Elektroden separat recyceln können.
Das Design von Batterien, die von Anfang an auf Recycling ausgelegt sind, ist ein neuer Ansatz in der Industrie. Die Forscher sind überzeugt, dass ihr Material auch nur als Schicht im Elektrolyten ausreicht, um die Recyclingfähigkeit zu erhöhen. Wenn Lithium-Ionen-Batterien im großen Maßstab recycelt werden können, hätte das den gleichen Effekt wie die Eröffnung neuer Lithiumminen und könnte dazu beitragen, massive Preisspitzen zu vermeiden.
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