Batterie: Forscherin findet endlich eine nachhaltige Lösung
Batterien befinden sich in E-Autos, wir nutzen sie in Taschenlampen, Garten-, Elektro- und Multimediageräten. Ihre Ökobilanz ist eher schlecht, das Recycling ein fast unlösbares Problem. Eine Forscherin hat nun eine Idee entwickelt, das Graphit aus verbrauchten Lithium-Ionen-Batterien zu recyceln: Schaumflotation lautet das Zauberwort.
Anna Vanderbruggen hat ein Konzept entwickelt, mit dem sich Batterien künftig besser recyceln lassen sollen.
Foto: HZDR/HIF
Lithium-Ionen-Batterien beinhalten zahlreiche kritische Materialien. Dazu zählen Nickel, Kobalt, Lithium und Graphit. Ihr Nachteil: Es gibt nicht unendlich viel von diesen Materialien auf unserer Erde und ihre Gewinnung erfolgt meistens sogar noch unter fragwürdigen Arbeits- und Schutzbedingungen. Zugleich steigt aber mit zunehmend mehr Elektroautos auf den Straßen auch die Nachfrage nach genau solchen Batterien und diesen Materialien. Mit Blick in die Zukunft scheint es deshalb zwingend erforderlich zu sein, ein effizientes Recycling in der Batteriezellenproduktion zu etablieren. Das Ziel muss eigentlich lauten: Materialkreisläufe mit effizienten Ansätzen zu schließen.
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Das Problem ist bekannt und Forschende weltweit beschäftigen sich mit neuartigen Methoden. Ein konkretes Konzept entstand nun am Helmholtz-Institut für Ressourcentechnologie Freiberg (HIF) – einer Einrichtung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR). Die Idee von Doktorandin Anna Vanderbruggen konzentriert sich auf das Graphit in den Batterien, dass sie mithilfe der Schaumflotation recyceln möchte. Die Schaumflotation kommt vor allem in der Aufbereitung von Erzen zum Einsatz. Hier gilt sie als ein wesentlicher Prozess, in dem wertvolle Mineralien von wertlosem Material getrennt werden. Darüber hinaus wird sie auch im Papierrecycling und der Abwasseraufbereitung eingesetzt. Damit die Schaumflotation funktioniert, muss das Ausgangsmaterial fein gemahlen sein und wird daraufhin mit Wasser aufgeschlämmt. Anschließend werden Luftblasen zugeführt. An ihnen bleiben die wertvollen Mineralpartikel haften und gelangen mithilfe der Luftblasen an die Oberfläche. Dabei bildet sich Schaum, der danach abfließt und die Mineralpartikel auf diese Art und Weise getrennt werden können.
Forschende setzt zum Batterie-Recycling auf Schaumflotation
Warum griff sie sich gerade das Graphit heraus? Es ist ein besonders kritisches Material und hat zugleich eine enorme Bedeutung. Schließlich wird die Batterieproduktion für E-Autos in den nächsten Jahrzehnten noch einmal deutlich steigen, sofern Elektromobilität weiterhin als der Weg in die Zukunft betrachtet und gefördert wird. Es gibt kaum natürliche Lagerstätten, und Recyclingunternehmen können es aktuell nicht zurückgewinnen. Es landet deshalb als Abfall bei diesen Firmen oder kann höchstens noch als sogenanntes Reduktionsmittel Verwendung finden. Im Rahmen ihrer Doktorarbeit entwickelte Vanderbruggen ein Konzept zur „Rückgewinnung von Graphit aus verbrauchten Lithium-Ionen-Batterien“.
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„Mein Ansatz nutzt die in der Rohstoffindustrie bewährte Methode der Schaumflotation, um Graphit zu recyceln“, erklärt die Forscherin. Die Schaumflotation sei ein etablierter und effizienter Prozess für die Trennung wertvoller Materialien von taubem Gestein für Partikelgrößen von etwa 10 bis 200 Mikrometer. Dabei basiere der Prozess auf der selektiven Hydrophobierung, also der wasserabweisenden Eigenschaft von Mineralen und der Anhaftung dieser Partikel an Gasblasen. Diese würden im Anschluss über einen Schaum herausgelöst. „Daher sind Oberfläche-, aber auch andere Partikeleigenschaften wie Größe und Morphologie, die wesentlichen Trennmerkmale für die Schaumflotation. Das Hinzufügen einer Schaumflotationsstufe ermöglicht die gemeinsame Rückgewinnung der Metalle und des Graphits“, berichtet Vanderbruggen.
Idee zum Batterie-Recycling bei Wettbewerb vorgestellt
Mit ihrer Idee hat sie sich auch bei „Falling Walls“ beworben. Das ist ein jährlich stattfindender Wettbewerb für junge Erfinderinnen und Erfinder, Forschende, Start-ups und Studierende. 2009 fand erstmals die Falling Walls Conference in Berlin statt, zu der auch der Wettbewerb gehört. Der Jahrestag des Mauerfalls lieferte auch das Motto: Mauern einreißen und Grenzen überwinden – in den Köpfen, im Denken und im Handeln.
Anna Vanderbruggen musste sich zuerst einer nationalen Ausscheidung des Falling Walls Labs stellen. Mit ihrem Erfolg sicherte sie sich die Teilnahme am Finale in Berlin Anfang November. Insgesamt 75 Forschende nahmen teil und hatten jeweils drei Minuten Zeit, der Jury ihre Zukunftsidee zu präsentieren und sie zu überzeugen. Die Jury vergibt insgesamt drei Preise: in den Kategorien Wissensengagement, Science Start-ups und Emerging Talents. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), die Helmholtz-Gesellschaft und die Robert Bosch Stiftung unterstützen die Falling Walls Conference. Darüber hinaus beteiligen sich zahlreiche wissenschaftliche Einrichtungen und Stiftungen, unter anderem die Leibniz-Gemeinschaft, die Fraunhofer-Gesellschaft, der Stifterverband für die Deutsche Wissenschaft, die Leopoldina – Nationale Akademie der Wissenschaften, die Berliner Senatsverwaltung für Bildung, Wissenschaft und Forschung sowie der Europäische Forschungsrat.
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