Materialkonzept könnte Batteriepacks leichter recycelbar machen

Darstellung von Batterien, die aus neuem Elektrolytmaterial hergestellt wurden (Foto: Mit freundlicher Genehmigung des MIT-Forschungsteams)

Ein Team am MIT (Massachusetts Institute of Technology) hat ein Papier veröffentlicht, in dem die Entwicklung eines Materials beschrieben wird, das als Elektrolyt in einer Festkörperbatterie verwendet werden kann, dann aber in seine ursprünglichen molekularen Bestandteile zurückversetzt wird, wenn es in eine organische Flüssigkeit getaucht wird.

Das Material würde eine Alternative zum derzeitigen Batterierecyclingprozess bieten, bei dem die Packung zu einer „schwarzen Masse“ zerkleinert wird, die dann eine Reihe chemischer Prozesse durchlaufen muss, um jedes recycelbare Material zurückzugewinnen.

„Bisher haben wir uns in der Batterieindustrie auf leistungsstarke Materialien und Designs konzentriert und erst später versucht, herauszufinden, wie man Batterien mit komplexen Strukturen und schwer recycelbaren Materialien recyceln kann“, sagte der Erstautor des Artikels, Yukio Cho.

„Unser Ansatz besteht darin, mit leicht recycelbaren Materialien zu beginnen und herauszufinden, wie wir sie batteriekompatibel machen können. Batterien von Anfang an auf Recyclingfähigkeit zu konstruieren, ist ein neuer Ansatz.“

Die Elektrolyte in den meisten Lithium-Ionen-Akkus sind leicht entflammbar und zersetzen sich mit der Zeit, wobei giftige Nebenprodukte entstehen, die eine besondere Handhabung erfordern.

Um den nachhaltigeren Elektrolyten zu entwickeln, verwendete das Team eine Klasse von Molekülen, die als Aramid-Amphiphile (AAs) bekannt sind und deren Struktur und Stabilität Kevlar (dem in kugelsicheren Westen verwendeten Material) nachempfunden sein sollen.

Die Forscher entwickelten anschließend AAs, die an jedem Ende des Moleküls Polyethylenglykol (PEG) enthielten. Werden diese modifizierten Moleküle Wasser ausgesetzt, bilden sie spontan Nanobänder mit ionenleitenden PEG-Oberflächen und einer Basis, die durch enge Wasserstoffbrücken Kevlar imitiert. Diese Nanobandstruktur kann Ionen über ihre PEG-Oberfläche leiten.

Beim Hinzufügen zu Wasser ordnen sich Millionen von Nanobändern selbst an und bilden eine Masse, die durch Heißpressen zu einem festen Material verarbeitet werden kann.

„Das Material besteht aus zwei Teilen“, erklärte Cho. „Der erste Teil ist diese flexible Kette, die uns ein Nest oder einen Wirt bietet, in dem Lithiumionen herumspringen können. Der zweite Teil ist diese starke organische Materialkomponente, die im Kevlar verwendet wird. Diese machen die gesamte Struktur stabil.“

„Innerhalb von fünf Minuten nach Zugabe zum Wasser wird die Lösung gelartig. Das deutet darauf hin, dass sich in der Flüssigkeit so viele Nanobänder gebildet haben, dass sie beginnen, sich ineinander zu verhaken. Das Spannende daran ist, dass wir dieses Material aufgrund des Selbstorganisationsverhaltens in großem Maßstab herstellen können.“

Das Team konstruierte anschließend eine Festkörperzelle mit einer Lithium-Ionenphosphat-Kathode und einer Lithium-Titanoxid-Anode – beides gängige Materialien in modernen Batteriepacks. Die Nanobänder transportierten erfolgreich Lithium-Ionen zwischen den Elektroden, allerdings wurde festgestellt, dass die Polarisation die Bewegung der Lithium-Ionen beim Laden und Entladen einschränkte. Dies verringerte die Leistung im Vergleich zu „Goldstandard“-Batterien.

„Die Lithiumionen bewegten sich problemlos entlang der Nanofaser, aber der Transport der Lithiumionen von den Nanofasern zum Metalloxid scheint der langsamste Teil des Prozesses zu sein“, sagte Cho.

Beim Eintauchen in ein organisches Lösungsmittel löste sich das Material sofort auf, wobei jedes Teil des Materials abfiel – was zu einem effizienten Recycling der einzelnen Materialien beitragen würde.

Cho sagte, das Material sei ein Proof of Concept, der den Recycling-First-Ansatz demonstriere.

„Wir wollen nicht behaupten, dass wir mit diesem Material alle Probleme gelöst haben. Unsere Batterieleistung war nicht besonders gut, da wir ausschließlich dieses Material als Elektrolyt für das Papier verwendet haben. Wir planen jedoch, dieses Material als eine Schicht im Batterieelektrolyt zu verwenden. Es muss nicht der gesamte Elektrolyt sein, um den Recyclingprozess zu starten.“

Das Team wird sich nun mit der Optimierung der Materialleistung befassen und gleichzeitig nach Möglichkeiten suchen, diese Materialien in bestehende Batteriedesigns zu integrieren.

„Es ist eine große Herausforderung, bestehende Anbieter davon zu überzeugen, etwas grundlegend anders zu machen“, sagte Cho. „Aber mit neuen Batteriematerialien, die in fünf oder zehn Jahren auf den Markt kommen könnten, könnte es einfacher sein, diese von Anfang an in neue Designs zu integrieren.“