Nieuw materiaal maakt batterijen eenvoudig te recyclen

Wetenschappers van Berkeley Lab (VS) hebben een materiaal uitgevonden dat het eenvoudig en economisch maakt om een breed scala aan batterijen te recyclen.

Het team heeft een bekroond nieuw batterijmateriaal uitgevonden dat het eenvoudig en betaalbaar maakt om de waardevolle materialen in Li-ion-batterijen te scheiden van de andere componenten en ze terug te winnen voor hergebruik in een nieuwe batterij.

“We komen op het punt dat het recyclen van batterijen een vereiste wordt”, zegt projectleider Gao Liu. “Als we niet stoppen ze te verbranden en in de prullenbak te gooien, zullen we de komende tien jaar zonder middelen komen te zitten. Het is gewoon onmogelijk om het aantal batterijen bij te houden waar de markt anders om vraagt. Er is gewoon niet genoeg kobalt, niet genoeg nikkel – we moeten recyclen.”

Hun methode staat in schril contrast met de huidige Li-ion-recycling, waarbij batterijen eerst worden versnipperd en vermalen en vervolgens worden verbrand om de metalen van de andere bestanddelen te scheiden. Recyclingbedrijven streven ernaar hun processen zo efficiënt mogelijk te maken, maar vanwege het vroegere en huidige ontwerp van de meeste batterijen is het terugwinnen van de elementen nog steeds energie-intensief en duur, en komen er giftige chemicaliën vrij die zorgvuldig moeten worden beheerd.

Voeg gewoon (alkalisch) water toe

Liu en zijn team werkten aan lithium-zwavelbatterijen toen ze de Quick-Release Binder creëerden. Lithium-zwavelbatterijen zijn een populair concept in de wereld van batterijonderzoek en -ontwikkeling omdat ze gemaakt kunnen worden zonder kobalt en een hogere theoretische energiedichtheid hebben dan Li-ion; maar er zijn veel functionaliteitsproblemen die moeten worden opgelost voordat de batterijen commercieel kunnen worden gebruikt. De Quick-Release-binder zou Li-S-batterijen gemakkelijk recyclebaar maken en lijkt een van de belangrijkste prestatieproblemen op te lossen. Deze bevinding is op zich al best opwindend, maar Chen Fang, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Liu, besefte dat hun nieuwe bindmiddel een nog groter potentieel had: het zou ook kunnen worden gebruikt in de huidige Li-ion-batterijen.

De nieuwe Quick-Release Binder is gemaakt van twee in de handel verkrijgbare polymeren, polyacrylzuur (PAA) en polyethyleenimine (PEI), die met elkaar zijn verbonden door een binding tussen positief geladen stikstofatomen in PEI en negatief geladen zuurstofatomen in PAA. Wanneer het vaste bindmiddelmateriaal in alkalisch water met natriumhydroxide (Na+OH–) wordt geplaatst, springt het natriumion in de bindingsplaats, waardoor de twee polymeren uit elkaar vallen. De gescheiden polymeren lossen op in de vloeistof, waardoor alle daarin ingebedde elektrodecomponenten vrijkomen.

Het bindmiddel kan worden gebruikt om anoden en kathoden te maken en is ongeveer een tiende van de prijs van twee van de meest gebruikte commerciële bindmiddelen. “[In ons recente onderzoek] hebben we aangetoond dat het hele proces heel eenvoudig is op laboratoriumschaal en we zien geen reden waarom het niet even goed zal werken op industriële schaal”, zei Fang. Hij voegde eraan toe dat het team gelooft dat het materiaal kan worden gebruikt voor batterijen van alle soorten en maten, van de kleine in mobiele telefoons tot de extra grote batterijen die worden ingezet om back-up energie op te slaan op het elektriciteitsnet.