Batterierecycling mit Orangenschalen

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Mit Hilfe von Fruchtschalenabfällen Edelmetalle effizient zurückgewinnen

Wissenschaftler unter Leitung von Kollegen der Nanyang Technological University, Singapur (NTU Singapur) haben einer Medienmitteilung vom 26.08.2020 folgend eine neuartige Methode zur Verwendung von Fruchtschalenabfällen entwickelt, mit dem sie Edelmetalle aus verbrauchten Lithium-Ionen-Batterien extrahieren und zur Herstellung neuer Batterien wiederverwenden.

Batterierecycling mit Orangenschalen – Foto © Solarify

Die Wissenschaftler sagen, dass ihr „Waste-to-Resource“-Ansatz sowohl Lebensmittelabfälle als auch Elektronikschrott in Angriff nimmt und die Entwicklung einer abfallfreien Kreislaufwirtschaft unterstützt, in der Ressourcen so lange wie möglich genutzt werden. Jedes Jahr fallen weltweit schätzungsweise 1,3 Milliarden Tonnen Lebensmittelabfälle und 50 Millionen Tonnen Elektroschrott an.

Verbrauchte Batterien werden konventionell mit extremer Hitze (< 500° C) behandelt, um wertvolle Metalle zu schmelzen, wodurch aber gefährliche giftige Gase freigesetzt werden. Alternative Ansätze, die Säuren oder Säurelösungen mit Wasserstoffperoxid verwenden, um die Metalle zu extrahieren, werden erforscht, aber sie produzieren immer noch sekundäre Schadstoffe mit Gesundheits- und Sicherheitsrisiken.

, sagte: „Die derzeitigen industriellen Recyclingprozesse von Elektroschrott sind energieintensiv und stoßen schädliche Schadstoffe und flüssige Abfälle aus, was auf einen dringenden Bedarf an umweltfreundlichen Methoden hinweist, da die Menge an Elektroschrott zunimmt. Unser Team hat gezeigt, dass dies mit biologisch abbaubaren Substanzen möglich ist.

„Diese Ergebnisse bauen auf unserer bestehenden Arbeit bei SCARCE im Rahmen des Energieforschungsinstituts der NTU (ERI@N) auf. Das SCARCE-Labor wurde eingerichtet, um umweltfreundlichere Wege für das Recycling von Elektroschrott zu entwickeln. Es ist auch Teil der NTU-Initiative „Smart Campus“, die darauf abzielt, technologisch fortschrittliche Lösungen für eine nachhaltige Zukunft zu entwickeln.

„In Singapur, einem Land mit knappen Ressourcen, wird dieser Prozess des städtischen Bergbaus zur Gewinnung wertvoller Metalle aus allen Arten ausrangierter Elektronik sehr wichtig. Mit dieser Methode bekämpfen wir nicht nur das Problem der Ressourcenerschöpfung, indem wir diese Edelmetalle so weit wie möglich in Gebrauch halten, sondern auch das Problem des Elektroschrotts und der Anhäufung von Lebensmittelabfällen – beides eine wachsende globale Krise“.

Kostengünstiger, nachhaltiger Ansatz

Da industrielle Ansätze für das Recycling von Batterieabfällen gesundheitsschädliche Stoffe erzeugen, wird die Hydrometallurgie – die Verwendung von Wasser als Lösungsmittel für die Extraktion – zunehmend als mögliche Alternative erforscht. Bei diesem Verfahren werden gebrauchte Batterien zunächst geschreddert und zerkleinert, um sogenannte Schwarzmasse zu erhalten. Die Forscher extrahieren dann wertvolle Metalle aus der schwarzen Masse, indem sie sie in einer Mischung aus starken oder schwachen Säuren und anderen Chemikalien wie Wasserstoffperoxid unter Hitze auflösen, bevor sie die Metalle ausfallen lassen. Obwohl relativ umweltfreundlicher als konventionelle Methoden, könnte die Verwendung starker Chemikalien im industriellen Maßstab eine beträchtliche Menge an sekundären Schadstoffen erzeugen, was erhebliche Sicherheits- und Gesundheitsrisiken mit sich bringen würde, sagte Tay.

Das NTU-Team fand heraus, dass die Kombination aus im Ofen getrockneter und zu Pulver gemahlener Orangenschale und Zitronensäure, einer schwachen organischen Säure, die in Zitrusfrüchten vorkommt, dasselbe Ziel erreichen kann. Und weiter, dass ihr Ansatz erfolgreich rund 90 Prozent Kobalt, Lithium, Nickel und Mangan aus verbrauchten Lithium-Ionen-Batterien extrahierte – eine vergleichbare Wirksamkeit wie der Ansatz mit Wasserstoffperoxid.

Tay erklärte: „Der Schlüssel liegt in der Zellulose, die in der Orangenschale enthaltenen ist, während des Extraktionsprozesses unter Wärmeeinwirkung in Zucker umgewandelt wird. Diese Zucker verbessern die Rückgewinnung von Metallen aus Batterieabfällen. Natürlich vorkommende Antioxidantien in der Orangenschale, wie Flavonoide und Phenolsäuren, könnten ebenfalls zu dieser Verbesserung beigetragen haben“. Wichtig sei, dass sich die bei diesem Prozess anfallenden festen Rückstände als ungiftig erwiesen hätten, was darauf hindeutet, dass diese Methode umweltverträglich ist, fügte er hinzu.

Aus den zurückgewonnenen Materialien stellten sie dann neue Lithium-Ionen-Batterien zusammen, die eine ähnliche Ladekapazität wie kommerzielle Batterien aufwiesen. Weitere Forschungsarbeiten sind im Gange, um die Lade-/Entlade-Zyklusleistung dieser neuen Batterien, die aus wiedergewonnenen Materialien hergestellt werden, zu optimieren. Dies deutet darauf hin, dass diese neue Technologie „für das Recycling von verbrauchten Lithium-Ionen-Batterien im industriellen Sinne praktisch durchführbar ist“, so die Forscher.

Das Team ist nun bestrebt, die Leistung ihrer Batterien, die aus behandeltem Batterieabfall hergestellt werden, weiter zu verbessern. Sie optimieren auch die Bedingungen für die Ausweitung der Produktion und untersuchen die Möglichkeit, den Einsatz von Säuren im Prozess zu vermeiden. Madhavi: „Dieser Waste-to-Resource-Ansatz könnte möglicherweise auch auf andere Arten von zellulosereichen Obst- und Gemüseabfällen sowie auf Lithium-Ionen-Batterietypen wie Lithiumeisenphosphat und Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid ausgedehnt werden. Dies würde dazu beitragen, große Fortschritte auf dem Weg zur neuen Kreislaufwirtschaft des Elektroschrotts zu machen und unser Leben auf eine grünere und nachhaltigere Art und Weise zu gestalten“.

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