Vom Abfall zum Schatz: Neues Verfahren zur effizienten Regeneration von gebrauchten Lithium-Kobalt-Oxid Batterien

Ein wichtiger Schritt zur nachhaltigen Wiederverwendung von Batterien

11.04.2025

Im Mittelpunkt dieser Studie steht eine Strategie zur Strukturumwandlung durch Kugelmahlen (Symbolbild).

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Lithium-Ionen-Batterien sind für den Betrieb von Elektronik und Elektrofahrzeugen unverzichtbar, doch ihre begrenzte Lebensdauer - in der Regel 5 bis 8 Jahre - führt zu großen Mengen an gefährlichem Abfall. Die derzeitigen Recyclingtechnologien wie Pyrometallurgie und Hydrometallurgie sind energieintensiv, umweltschädlich und ineffizient, insbesondere wenn es um stark degradierte Kathoden geht. Diese Materialien leiden häufig unter strukturellem Zusammenbruch, Lithiumverarmung und der Bildung von Oberflächen-Spinellphasen wie Co₃O₄, die die Regeneration behindern. Das direkte Recycling bietet zwar eine sauberere Alternative, hat aber mit ungleichmäßiger Lithiumdiffusion und hohen Energiebarrieren zu kämpfen. Diese Herausforderungen unterstreichen den dringenden Bedarf an innovativen, schonenden Methoden, die die Funktionalität verbrauchter LIB-Kathoden effektiv wiederherstellen können.、

In einer im März 2025 in der Zeitschrift Energy Materials and Devices veröffentlichten Gemeinschaftsstudie wurde eine kugelmühlengestützte Technik zur Wiederbelebung gealterter LiCoO₂-Kathoden (LCO) vorgestellt. Durch die Umwandlung degradierter Kristallstrukturen in amorphe Zwischenprodukte und anschließende Sinterung bei hohen Temperaturen gelang es den Forschern, die Schichtarchitektur zu rekonstruieren und die Leistungsfähigkeit der Batterien wiederherzustellen. Die regenerierten Kathoden wiesen eine Kapazität von 179,10 mAh-g-¹ bei 0,5 C auf und entsprachen damit der von neuen kommerziellen Materialien. Die Methode bietet im Vergleich zu herkömmlichen Recyclingverfahren überzeugende Vorteile in Bezug auf Effizienz, Kosten und Umweltbelastung - ein bedeutender Schritt in Richtung nachhaltige Wiederverwendung von Batterien.

Im Mittelpunkt dieser Studie steht eine Strategie zur Strukturumwandlung, die durch Kugelmahlen angetrieben wird. Der Prozess wandelt die starre und defektanfällige Spinellphase (Co₃O₄), die sich üblicherweise auf degradierten LCO-Kathoden bildet, in eine homogene amorphe Phase um. Dieses Zwischenprodukt mildert nicht nur die inneren Spannungen, sondern erleichtert auch die gleichmäßige Reintegration des Lithiums bei der anschließenden Hochtemperatursinterung. Die regenerierten LCO-Kathoden (RLCO) erreichten eine hohe Entladungskapazität von 179,10 mAh-g-¹ bei 0,5 C und entsprachen damit nahezu den kommerziellen Standards. Die Leistungskennzahlen waren vielversprechend: 91,7 % anfänglicher coulombscher Wirkungsgrad und 88 % Kapazitätserhalt nach 100 Zyklen. Die Finite-Elemente-Modellierung bestätigte, dass die Lithiumdiffusion innerhalb der amorphen Phase im Vergleich zu herkömmlichen Reparaturtechniken besser ist. Wirtschaftlich gesehen senkt die Methode die Recyclingkosten im Vergleich zur Hydrometallurgie um etwa 25 %, vermeidet die Entstehung von giftigem Abwasser und bietet einen prognostizierten Gewinn von 1.503 US-Dollar pro Kilogramm wiedergewonnenen Materials. Fortschrittliche Charakterisierungstechniken - einschließlich HAADF-STEM, XRD und XPS - bestätigten die vollständige Wiederherstellung der geschichteten Kristallstruktur und die Beseitigung von Co²⁺-bedingten Defekten. Die Ergebnisse beseitigen seit langem bestehende Hindernisse bei der direkten Kathodenregeneration und bilden die Grundlage für die Ausweitung dieser Methode auf andere weit verbreitete Kathodenchemien wie Nickel-Mangan-Kobalt (NMC) und Lithium-Eisenphosphat (LFP).

"Diese Arbeit stellt die strukturelle Degradation als Chance dar", sagte Dr. Guangmin Zhou, Mitverfasser der Studie. "Das amorphe Zwischenprodukt fungiert als 'Reparaturautobahn' für Lithium und bietet eine verallgemeinerbare Strategie für die Regeneration anderer Kathodenmaterialien wie NMC oder LFP." Unabhängige Experten haben das Potenzial der Methode für einen groß angelegten Einsatz hervorgehoben und darauf hingewiesen, dass sie die Abhängigkeit von Rohstoffen verringern und den Elektronikabfall reduzieren kann. Die Ausgewogenheit der Studie zwischen wissenschaftlicher Strenge und praktischer Machbarkeit macht sie zu einer wichtigen Referenz für die Zukunft des Batterierecyclings.

Dieses Regenerationsverfahren ist sehr vielversprechend für eine nachhaltige Batterietechnologie und die Bemühungen um eine Kreislaufwirtschaft. Indem sie ein effizientes, großmaßstäbliches Recycling abgebauter LCO-Kathoden ermöglicht, könnte die Methode die Abhängigkeit von neuen Kobalt- und Lithiumressourcen mit begrenzten und geopolitisch sensiblen Lieferketten erheblich verringern. Die Kosteneffizienz und die Einfachheit des Verfahrens eignen sich gut für die industrielle Nutzung, wobei eine Integration in bestehende Batterieproduktionsabläufe möglich ist. Darüber hinaus steht es im Einklang mit strengen Umweltvorschriften wie der EU-Batterieverordnung und bietet eine kohlenstoffarme, abfallfreie Alternative zu herkömmlichen Recyclingsystemen. Über LCO hinaus könnten die zugrundeliegenden Prinzipien der amorphen Phase und der strukturellen Wiederherstellung auch auf andere chemische Systeme angewandt werden und so eine breitere Innovation bei Energiespeicherlösungen der nächsten Generation unterstützen.

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Originalveröffentlichung

Yang Cao, Junfeng Li, Haotian Qu, Haocheng Ji, Lingshu Li, Xijun Wei, Guangmin Zhou; "Reconstruction of lithium replenishment channel with an amorphous structure for efficient regeneration of spent LiCoO ₂ cathodes"; Energy Materials and Devices, Volume 3

https://www.chemie.de/news/1186020/vom-abfall-zum-schatz-neues-verfahren-zur-effizienten-regeneration-von-gebrauchten-lithium-kobalt-oxid-batterien.html