Ausgediente Lithium-Ionen-Batterien könnten uns ins All bringen

Vom Müll zum Schatz: Recycling gebrauchter Batterien zeigt vielversprechende Ergebnisse

20.09.2024

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Der weltweite Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien hat sich in den letzten vier Jahren verdoppelt, wodurch alarmierende Mengen an Batterieabfällen entstehen, die viele gefährliche Stoffe enthalten. Der Bedarf an wirksamen Recyclingmethoden für verbrauchte Lithium-Ionen-Batterien wird immer dringender. In der Fachzeitschrift ChemElectroChem haben Wissenschaftler verschiedener polnischer Forschungseinrichtungen, darunter die Universität für Wissenschaft und Technologie in Bydgoszcz (PBS), das Institut für technologische Grundlagenforschung der Polnischen Akademie der Wissenschaften, das Institut für physikalische Chemie der PAS in Warschau und die Universität für Wissenschaft und Technologie in Breslau, eine vielversprechende Lösung für dieses Problem vorgestellt.

Die Forschung basierte auf Kohlenstoffmaterial, das aus den Elektroden verbrauchter Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) gewonnen wurde. Diese Elektroden wurden einem sauren Auslaugungsprozess unterzogen, um wertvolle Metalle zurückzugewinnen. Je nach Versuchsbedingungen wurde das resultierende Kohlenstoffmaterial mehr oder weniger geätzt und enthielt nach der Pulverisierung immer noch Spuren von Metallen, einschließlich Kobalt - ein Metall, das häufig in der Katalyse verwendet wird. Ziel der Forschung war es, diese Batteriematerialien für die Verwendung in katalytischen Prozessen umzuwidmen, wobei der Schwerpunkt auf den Materialien lag, die die Herstellung von Wasserstoffperoxid erleichtern.

"Wasserstoffperoxid ist eines der grundlegenden chemischen Moleküle, das für zahlreiche Industrien unerlässlich ist. Die großtechnische Herstellung dieser Substanz erfordert in der Regel hohe Drücke und Temperaturen, teure Katalysatoren und verschiedene giftige Elektrolyte. Unser Ziel war es, eine umweltfreundlichere Methode zur Herstellung von Wasserstoffperoxid zu entwickeln: ein elektrochemischer Ansatz unter Verwendung von Katalysatoren, die aus gebrauchten Lithium-Ionen-Batterien stammen", erklärt Dr. Eng. Magdalena Warczak (PBS), Projektleiterin und Hauptautorin des Artikels, in dem diese Errungenschaft beschrieben wird.

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Elektrochemische Tests ergaben, dass die aus gebrauchten LIB-Batterien zurückgewonnenen Materialien, die Kohlenstoff-Nanostrukturen und Kobalt enthalten, katalytische Eigenschaften bei der Sauerstoffreduktionsreaktion aufweisen. Es wurde jedoch auch festgestellt, dass diese Eigenschaften stark von der Art der Probe abhängen, insbesondere von ihrer Zusammensetzung und Struktur, die weitgehend von der Zusammensetzung der Ätzbäder beeinflusst werden, die zur Reinigung der aus Lithium-Ionen-Batterien gewonnenen Elektroden verwendet werden.

"Für mögliche künftige Anwendungen ist die entscheidende Erkenntnis, dass wir anhand von Daten aus Experimenten mit einer rotierenden Elektrode die Anzahl der Elektronen bestimmen konnten, die an der Reduktion eines einzelnen Sauerstoffmoleküls beteiligt sind. Die elektrochemische Reduktion von Sauerstoff kann entweder mit vier oder mit zwei Elektronen erfolgen. Im Falle von vier Elektronen entsteht Wasser, bei zwei Elektronen erhalten wir das gewünschte Wasserstoffperoxid. Bei allen von uns getesteten Proben haben wir die Reduktion mit zwei Elektronen beobachtet", erklärt Dr. Warczak.

Um den möglichen Einfluss der als Substrat verwendeten Glaskohlenstoffelektrode auf die Ergebnisse zu eliminieren, wurden die Messungen in Systemen wiederholt, in denen einzelne Batteriepulver zwischen zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten suspendiert waren. Die organische Flüssigkeit enthielt Decamethylferrocen, eine Verbindung, die bei der untersuchten Sauerstoffreduktionsreaktion Elektronen abgibt. Die Sauerstoffreduktion erfolgte spontan an der Grenzfläche zwischen den Flüssigkeiten. Diese Untersuchungen bestätigten, dass, ähnlich wie bei den Experimenten mit der Glaskohlenstoffelektrode, alle Proben die Sauerstoffreduktionsreaktion katalysierten, um Wasserstoffperoxid zu erzeugen. Die mit einem elektrochemischen Rastermikroskop gemessenen Konzentrationen von Wasserstoffperoxid an der Grenzfläche waren um ein bis zwei Größenordnungen höher als in Systemen ohne Batterieabfälle.

"Lithium-Ionen-Batterien wurden im Allgemeinen nur als sekundäre Quelle für Kohlenstoffmaterialien, hauptsächlich Graphit, und Metalle wie Lithium, Kobalt oder Nickel betrachtet. Die Ergebnisse unserer Gruppe zeigen jedoch eindeutig, dass Batterieabfälle die Reduktion von Sauerstoff zu Wasserstoffperoxid katalysieren können, was in Zukunft zu einer Verwendung bei der Herstellung dieser wichtigen chemischen Verbindung führen könnte", schließt Dr. Warczak.

Wasserstoffperoxid in einer Konzentration von 3 % wird in Apotheken als Desinfektionsmittel für Wunden und Entzündungen verkauft, obwohl seine Wirksamkeit bei der Wundversorgung umstritten ist. Lösungen mit einer Konzentration von bis zu 15 % werden als Bleichmittel in Haushaltsreinigungsmitteln und Kosmetika, wie z. B. Haaraufhellern, verwendet. Eine Lösung mit einer Konzentration von etwa 30 %, die als Wasserstoffperoxid bezeichnet wird, ist in verschiedenen Industriezweigen von entscheidender Bedeutung, z. B. in der chemischen Industrie (für die Peroxidsynthese und als Oxidationsmittel), in der Papier- und Zellstoffindustrie und in der Textilindustrie (als Bleichmittel), in der Gummiindustrie (als Rohstoff), in der Elektronik- und Metallindustrie (als Ätzmittel) und in der Lebensmittelindustrie (als biozider Stoff).

Interessanterweise kann Wasserstoffperoxid auch als Oxidationsmittel für Brennstoffe, einschließlich Raketentreibstoff, verwendet werden. Diese Rolle spielte es erstmals in den 1940er Jahren, als es in den ersten Raketen verwendet wurde, die in der Lage waren, die konventionellen Grenzen des Weltraums zu überwinden. Damals betrug seine Konzentration jedoch nicht mehr als 80 %, und technologische Beschränkungen behinderten die Langzeitmissionen. Im Gegensatz dazu ist Wasserstoffperoxid in hohen Konzentrationen (98 % oder mehr) eines der umweltfreundlichsten Treibmittel. Erst vor wenigen Wochen wurde es in dieser Form zum ersten Mal in der Raumfahrt eingesetzt, und zwar als Antrieb für eine Suborbitalrakete, die am Lukasiewicz-Institut für Luftfahrt in Warschau gebaut wurde.

Die Forschungsarbeiten zur Herstellung von Wasserstoffperoxid unter Verwendung von Kohlenstoffmaterialien, die aus verbrauchten Lithium-Ionen-Batterien zurückgewonnen werden, werden fortgesetzt, die zuvor durch einen SONATA-Zuschuss des polnischen nationalen Wissenschaftszentrums finanziert wurden. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Steigerung der Effizienz elektrochemischer Reaktionen auf ein Niveau, das für eine künftige industrielle Nutzung geeignet ist. Zu den künftigen Plänen gehört auch die Erforschung der Vier-Elektronen-Reduktion für mögliche Anwendungen in Brennstoffzellen.

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Originalveröffentlichung

Magdalena Warczak, Magdalena Osial, Weronika Urbańska, Natalia Sławkowska, Agnieszka Dąbrowska, Magdalena Bonarowska, Marcin Pisarek, Roman Minikayev, Michael Giersig, Marcin Opallo; "Insights into the High Catalytic Activity of Li‐Ion Battery Waste toward Oxygen Reduction to Hydrogen Peroxide"; ChemElectroChem, Volume 11, 2024-6-27

https://www.chemie.de/news/1184481/ausgediente-lithium-ionen-batterien-koennten-uns-ins-all-bringen.html