BTU-Publikation erreicht Platz 25 in den Scientific Reports Top 100 in Chemistry im Jahr 2021

Ausgediente Lithium-Ionen-Batterien werden zunehmend eine wichtige Sekundärrohstoffquelle für Nickel-, Kobalt-, Mangan- und Lithiumsalze, die für die Herstellung neuer Batterien verwendet werden können. Deutlich weiter greift der Ansatz, der in der Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Jörg Acker am Fachgebiet Physikalische Chemie verfolgt wird. Das Ziel der Forschungsarbeiten ist es, das noch funktionsfähige Kathodenmaterial von ausgedienten Lithium-Ionen-Batterien für den unmittelbaren Wiedereinsatz zurück zu gewinnen.
In dem Beitrag "Studies on the deposition of copper in lithium-ion batteries during the deep discharge process", der in Nature Scientific Reports veröffentlicht wurde, befassen sich die Forschenden des Fachgebietes Physikalische Chemie mit den Mechanismen der Tiefentladung von Lithium-Ionen-Batterien, die den ersten Schritt eines jeden Recyclingprozesses darstellt und damit die grundsätzliche Voraussetzung für das sichere Öffnen und Zerlegen der Batterien ist.

Besondere Herausforderung jeder Recyclingstrategie ist die Minimierung von Verunreinigungen im Recyclinggut. Insbesondere Kupferverunreinigungen wirken sich negativ auf die Performance des Materials aus oder behindern nachfolgende Recyclingschritte. Bekannt ist, dass Kupfer vorwiegend durch die Zerstörung oder unvollständige Abtrennung der Anoden in der Batterie in das Recyclinggut gelangt. Neu war der Befund, dass signifikante Kupfergehalte im Recyclat auftreten, wobei auf dem Material direkt elementares Kupfer aufgewachsen zu sein scheint. Hierbei handelt es sich um eine ungewollte Nebenreaktion bei der Tiefentladung der Batterien, die bisher nur unvollständig verstanden und auf Vermutungen basierend interpretiert wurde.

Im Rahmen der wissenschaftlichen Untersuchung wurde aufgeklärt, welche Randbedingungen zur elektrochemischen Auflösung der Anode und zur nachfolgenden Abscheidung von elementarem Kupfer auf der zu recycelnden Kathode führen. Dabei kontaminieren diese Abscheidungen nicht nur das Material, sondern führen zu internen Kurzschlüssen, die ein erhöhtes Gefahrenpotential für den Tiefentladungsprozess hervorrufen. In diesen Arbeiten wurden die wichtigsten Stadien des Prozesses aufgeklärt und erstmals zielgenau die Kupferkonzentration im Elektrolyten der Batterie unter verschiedenen Ladezuständen analysiert. Damit konnte der Entstehungspunkt identifiziert werden, an dem die irreversible Zerstörung der Batterie einsetzt. Durch eine lokale Verarmung an Lithium wird ein Wechsel im Ladungstransport von Lithium- zu Kupferionen bewirkt, was zu einer irreversiblen Kupferabscheidung auf der Kathode führt.

Die Arbeit liefert damit nicht nur einen wichtigen Beitrag für das Verständnis der in der Batterie ablaufenden Prozesse, sondern bietet eine Anleitung für jeden Batterieverwerter zur sicheren und zerstörungsfreien Tiefenentladung.