Lithium-Ionen-Batterien (Libs) sind in nahezu all unseren Elektrogeräten enthalten und wichtiger Energielieferant für die E-Mobilität. Verschiedene Alterungsprozesse verringern jedoch die Leistung einer Batterie über ihren Nutzungszeitraum. In Libs stecken viele wichtige Rohstoffe. Neben dem namensgebenden Lithium sind Metalle wie Kupfer, Nickel, Kobalt, Aluminium und Graphit enthalten. Letzteres ist das Anodenmaterial, das 15 – 25 Prozent des Batteriegesamtgewichts ausmacht. Es wird auf eine Kupferfolie aufgetragen und zwingt die Lithium-Ionen, sich in der Gitterstruktur des Materials beim Laden einen festen Platz zu suchen.

Recycling unabdingbar
Das bringt die folgenden Vorteile: höhere Zyklenstabilität, bessere Performance beim schnellen Laden und höhere Qualitätskonsistenz im Vergleich zu anderen Batterietypen wie etwa Blei-Akkus. Je reiner das Graphit, desto besser funktioniert dieser Mechanismus. Das synthetische, über ein energieintensives Verfahren auf Koksbasis hergestellte, Graphit erfüllt diese Aufgabe aufgrund seiner optimierten und anpassbaren Eigenschaften besonders gut. Doch sowohl natürliches (aus Erzen gewonnenes) als auch synthetisches Anodengraphit kommen zum grössten Teil aus China und haben einen signifikanten ökologischen Fussabdruck. Recycling ist also unabdingbar, um die Rohstoffe zurückzugewinnen und gleichzeitig die Abhängigkeit von China zu minimieren. Aktuell werden jährlich ungefähr 100 Kilotonnen Altbatterien in Europa recycelt.

Reinigung und Wiedereinsatz von Graphit
Um Graphit aus Altbatterien zurückzugewinnen, werden die Batterien zunächst geschreddert, übrig bleibt die sogenannte Schwarzmasse. Aus diesem feinen Pulver wird durch Schaumflotation das Graphit extrahiert. Der Prozess basiert auf der so genannten selektiven Hydrophobierung, also wasserabweisenden Eigenschaft von Mineralen und der Anhaftung dieser Partikel an Gasblasen, welche anschliessend über einen Schaum ausgetragen werden. Das dabei entstehende Konzentrat wird gereinigt. Dazu werden häufig anorganische Säuren wie beispielsweise Flusssäure verwendet, wodurch es zu Umweltschäden kommen kann. Im vorliegenden Fall reinigte das australische Unternehmen Ecograf die Graphitpartikel mit einem umweltfreundlichen Verfahren, das ohne hochgiftige Flusssäure auskommt.

Elektrochemische Leistung stimmt mit neuem Anodengraphit überein
Die Forschenden der Helmholtz-Institute in Ulm und Freiberg untersuchten die Graphitpartikel hinsichtlich Reinheit und Wiedereinsatz als Anodenmaterial. „Wir konnten mit den durchgeführten Tests nachweisen, dass die elektrochemische Leistung des zurückgewonnenen Graphits aus ausgedienten LIBs mit der von neuem Anodengraphit übereinstimmt. Struktur und Morphologie sind im Vergleich unwesentlich verändert. Vor allem hat das recycelte Graphit trotz geringfügiger Verunreinigungen aus dem Recyclingprozess eine bemerkenswerte Speicherkapazität von mehr als 350 mAh/g“, erläutert Anna Vanderbruggen, zum Zeitpunkt der Untersuchung Wissenschaftlerin am Hif, die Testergebnisse. Tests mit neu zusammengesetzten Batteriezellen aus recyceltem Graphit weisen zudem eine hervorragende Zyklenstabilität auf. Die Testzelle wurde dabei 1000 Auf- und Entladezyklen unterzogen, wobei eine Kapazitätserhaltung von 80 Prozent festgestellt wurde. Das ist vergleichbar mit der Leistung von Referenz-Vollzellen, die aus reinem Material bestehen.

Wichtiger Schritt für die Kreislaufwirtschaft
Die Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt zur Erfüllung der Vorgaben der europäischen Batterieverordnung, die erst im letzten Jahr novelliert wurde. Sie sieht die Erhöhung der Mindestrecyclingeffizienz von 50 auf 70 Prozent bis 2030 vor. Da Graphit bis zu 25 Prozent der Gesamtmasse von LIBs ausmacht und in den nächsten Jahren ein wesentlicher Bestandteil von LIBs bleiben wird, ist dieses Recyclingverfahren ein wichtiger Schritt zur Erfüllung der europäischen Green Deal Vorgaben, aber vor allem für die Kreislaufwirtschaft.

Publikation
M. Olutogun, A. Vanderbruggen, C. Frey, M. Rudolph, D. Bresser, S. Passerini: Recycled graphite for more sustainable lithium-ion batteries >>, in Carbon Energy, 2024 (DOI: 10.1002/cey2.483)

Text: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (Hzdr)