Innovatives Recycling kritischer Materialien durch thermische Rückgewinnung für nachhaltige und zuverlässige Lithium-Ionen-Batterien

In den letzten Jahrzehnten ist die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) und deren Anwendungsbereiche drastisch gestiegen, während die benötigten Ressourcen begrenzt sind, was weltweit zu einem mehr als doppelt so hohen Nachfrage-zu-Angebot-Verhältnis im Jahr 2030 führt. Während zusätzliche Anstrengungen beim Bergbau und der Rohstoffextraktion einige Versorgungsprobleme lösen könnten, bringen sie auch hohe Umweltverschmutzung, Sicherheitsbedenken, Fragen der Gleichheit, Abhängigkeiten von Lieferketten und globalen Angelegenheiten sowie Probleme der Inklusion und sozialen Verantwortung weltweit mit sich.

Daher ist es für die LIB-Branche von großer Bedeutung, sich weniger auf Bergbau und Beschaffung zu verlassen und das Ökosystem sowie das Geschäftsumfeld auf eine Kreislaufwirtschaft umzustellen. Eine der innovativsten, nachhaltigsten und rentabelsten Methoden ist die Implementierung und Einführung hoch effizienter und umweltfreundlicher Recyclingprozesse für Lithium-Ionen-Batterien. Unter den Rohmaterialien in Lithium-Ionen-Batterien ist Graphit – natürlich oder synthetisch – das am häufigsten verwendete Material für LIB-Anoden. [1] 

Natürliches Graphit wird in der EU als sehr kritisches Rohmaterial eingestuft [2], während synthetisches Graphit aus Koks gewonnen wird [3] – einem Kohlenstoffvorläufer, der aus Kohle oder Erdöl erzeugt wird. Daher sind kosteneffiziente, effiziente und ertragreiche Recycling- und Wiederverwendungsstrategien für Graphit wesentliche Meilensteine auf dem Weg zu Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung, die strategisch in den neuen EU-Vorschriften erwähnt werden, die ab 2030 die Verwendung von recycelten Batteriematerialien vorschreiben.

In dieser Studie berichten wir über einen neuartigen und hoch effizienten thermischen Recyclingprozess zur Gewinnung von hochwertigem Graphit aus LIBs für LIBs. Nach einer detaillierten Materialcharakterisierung der gewonnenen Materialien haben wir umfassende elektrochemische Charakterisierungen in Halbzellen und Graphit||NMC811-Vollzellen durchgeführt und die Ergebnisse mit den Daten für Halbzellen und Vollzellen unter Verwendung von kommerziellem Graphit verglichen. In Halbzellen zeigt das recycelte Graphit erheblich hohe reversible spezifische Kapazitäten (z.B. 350 mAh g^-1 bei C/20) mit sehr stabilen Zyklen.

Noch wichtiger ist, dass die Pouch-Zellen, die recyceltes Graphit||NMC811 verwenden, eine sehr gute Zyklenstabilität bei C/3 über 500 Zyklen mit einer Kapazitätsrückhaltung von 80 % aufweisen. Schließlich zeigt der Vergleich mit den ursprünglichen Graphit-Vollzellen eine sehr vergleichbare Leistung und hebt das große Potenzial von recyceltem und wiederverwendetem Graphit als wichtigen Schritt zu klar nachhaltigen und zuverlässigen LIBs im Hinblick auf eine Kreislaufwirtschaft hervor.

[1,2] Department of Cell R&D Engineering, Siro Silk Road Clean Energy Solutions, Gebze, Kocaeli 41400, Türkiye
[3] Niocycle Technologies, Gebze, Kocaeli 41400, Türkiye