Blitzerhitzungstechnik extrahiert schnell und kostengünstig wertvolle Metalle aus Batterieabfällen – Physics World

Eine kostengünstige neue Methode zur Rückgewinnung von Metallen direkt aus Lithium-Ionen-Batterieabfällen könnte die Umweltauswirkungen dieser allgegenwärtigen Geräte erheblich verringern und gleichzeitig den Zeitaufwand für deren Recycling um fast das Hundertfache verkürzen. Die von Wissenschaftlern der Rice University in den USA entwickelte Technik ist als Flash-Joule-Erwärmung bekannt und wurde bereits zur Rückgewinnung wertvoller Metalle aus anderen Formen von Elektronikschrott ohne giftige Lösungsmittel und mit weniger Energie als aktuelle Labormethoden eingesetzt.

„Derzeit werden 95 % der Batterien nicht recycelt, weil wir nicht über die Kapazitäten verfügen, sie zu recyceln, obwohl der Elektronikabfall jährlich um 9 % zunimmt“, sagt er James-Tour, der Rice-Nanowissenschaftler, der das Projekt leitete. Die jüngste Beliebtheit von Elektroautos verschärft die Dringlichkeit des Problems, fügt er hinzu: „Batterien in Elektrofahrzeugen halten etwa zehn Jahre, und viele davon werden jetzt fällig, weil wir sie schon seit etwa zehn Jahren nutzen.“

Verbrauchte Batterien, die nicht recycelt werden, landen meist auf der Mülldeponie, ebenso wie viele andere Formen von Elektroschrott (Elektroschrott). Das ist schlecht für die Umwelt, da Elektroschrott oft Schwermetalle enthält, darunter auch einige, die giftig sind. Es ist auch eine verpasste kommerzielle Chance, da Elektroschrott grundsätzlich eine wichtige und nachhaltige Quelle für Edelmetalle wie Rhodium, Palladium, Silber und Gold sowie für kostengünstigere Elemente wie Chrom, Cadmium, Blei und Quecksilber sein könnte.

Das Problem besteht darin, dass die Recyclingmethoden für Elektroschrott alles andere als perfekt sind. Die gebräuchlichsten basieren auf der Pyrometallurgie, bei der bei hohen Temperaturen eine geschmolzene Metallsuppe erzeugt wird. Diesen Methoden mangelt es an Selektivität, sie sind energieintensiv und erzeugen gefährliche, schwermetallhaltige Dämpfe, insbesondere wenn der Abfall Metalle mit relativ niedrigen Schmelzpunkten wie Quecksilber, Cadmium oder Blei enthält.

Andere Techniken nutzen die Hydrometallurgie, bei der Metalle mithilfe von Säuren, Basen oder Zyanid aus Elektroschrott herausgelöst werden. Obwohl diese Methoden selektiver sind, produzieren sie große Mengen an flüssigem oder schlammigem Abfall und beinhalten chemische Reaktionen, die kinetisch langsam sind und daher schwer zu skalieren sind. „Bei vielen aktuellen Verfahren zum Batterierecycling kommen sehr starke Säuren zum Einsatz, und das sind in der Regel chaotische und umständliche Verfahren“, stellt Tour fest.

Eine weitere Alternative, die Biometallurgie, trennt Metalle durch die Nutzung natürlicher biologischer Prozesse in Mikroorganismen. Diese vielversprechende Technikfamilie steckt jedoch noch in den Kinderschuhen.

Im Nu verschwunden

Im Jahr 2020 entwickelten Tour und seine Kollegen bei Rice eine Möglichkeit, Graphen aus Kohlenstoffquellen wie Lebensmittelabfällen und Plastik herzustellen. Später passten sie diese Flash-Joule-Erwärmungsmethode an Edelmetalle aus Elektroschrott zurückgewinnen und giftige Stoffe aus dem restlichen Material entfernen.

Die Technik funktioniert, weil sich der Dampfdruck von Metallen im Elektroschrott stark von dem anderer Abfallbestandteile wie Kohlenstoff, Keramik und Glas unterscheidet. In einem Prozess, der als Verdunstungstrennung bekannt ist, verdampfen die Forscher diese Metalle in einer Entspannungskammer, indem sie einen intensiven Stromimpuls von weniger als einer Sekunde anlegen und den Abfall auf 1 K erhitzen.

Anschließend werden die Dämpfe unter Vakuum von der Entspannungskammer zu einer Kühlfalle transportiert, wo sie in ihre Bestandteile kondensieren, erklärt Teammitglied Bing Deng. Die Metallmischung in der Falle kann dann mit etablierten Raffinierungsmethoden weiter gereinigt werden.

Aktivierung der schwarzen Masse

In ihrer neuesten Studie erweiterten Tour und Kollegen diesen Prozess auf die sogenannte schwarze Masse, also den kombinierten Abfall, der aus der Kathode und der Anode in Lithium-Ionen-Batterien entsteht. Mithilfe des Joule-Heizungs-Ansatzes erhitzte das Team die schwarze Masse innerhalb weniger Sekunden auf Temperaturen über 2100 K. Diese ultraschnelle Hochtemperaturbehandlung entfernt die inerte Schicht auf den Batteriemetallen und senkt gleichzeitig den Oxidationszustand der schwarzen Masse, sodass sie in einer verdünnten Säure aufgelöst werden kann.

„Wir haben herausgefunden, dass man die kritischen Metalle leicht heraustrennen kann, wenn man die schwarze Masse ‚flasht‘, indem man nur niedrig konzentrierte Salzsäure verwendet“, erklärt Tour. „Man könnte sagen, dass der Blitz die Metalle freisetzt, sodass sie sich leichter auflösen. Wir verwenden immer noch Säure, aber viel weniger.“

Mit dieser Methode konnte das Team mehr als 98 % des Metalls aus verschiedenen Arten gemischter Batterieabfälle zurückgewinnen. Darüber hinaus dauert das Auflösen des Abfalls weniger als 20 Minuten, im Gegensatz zu 24 Stunden bei herkömmlichen Methoden.

Urban Mining wird schneller und sauberer

„Die Industrie versucht traditionell, die schwarze Masse zu recyceln, aber aktuelle Recyclingstrategien werden durch die komplexen Behandlungsverfahren sowie den erheblichen Energieverbrauch und COXNUMX begrenzt₂ Emissionen“, sagt Teammitglied Weiyin Chen. „Das wichtigste Ergebnis unseres Prozesses ist die Reduzierung des Säureverbrauchs um das Zehnfache und des Zeitaufwands um das Hundertfache beim Recycling.“

Die Rice-Forscher sagen, dass sie nun versuchen, ihre Recyclingtechnik zu erweitern. „Wir haben in unserem Labor bereits eine Rückgewinnung auf Kilogrammebene nachgewiesen und der Flash-Joule-Prozess kann vermutlich in Zukunft in ein kontinuierliches System integriert werden“, erzählt Chen Physik-Welt.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/flash-heating-technique-extracts-valuable-metals-from-battery-waste-quickly-and-cheaply/