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Neuer Batterie-Klebstoff kann das Recycling erleichtern
Wasser statt Speziallösungsmittel: Ein fluorfreier Klebstoff könnte Lithium-Ionen-Akkus bei Herstellung und Recycling umweltfreundlicher machen. Die im Labor untersuchte Polymermischung lässt sich mit Wasser verarbeiten und von gebrauchten Elektroden wieder ablösen, ohne deren Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen. Dadurch könnten künftig mehr Batteriematerialien direkt wiederverwendet werden.
La Jolla (U.S.A.). Was Lithium-Ionen-Akkus im Inneren zusammenhält, kann ihre Wiederverwertung erheblich erschweren. In den Elektroden verbindet ein Bindemittel die Partikel des aktiven Speichermaterials und fixiert sie auf dünnen Metallfolien. Obwohl es nur einen kleinen Teil der Zellmasse ausmacht, beeinflusst es sowohl die Herstellung als auch das spätere Recycling.
Für die positiven Elektroden verwenden Hersteller häufig Polyvinylidenfluorid (PVDF). Dieser fluorhaltige Kunststoff haftet stark und übersteht zahlreiche Ladezyklen. Für seine Verarbeitung wird allerdings meist das gesundheitsschädliche Lösungsmittel N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP) benötigt, das nach dem Beschichten aufwendig entfernt und zurückgewonnen werden muss.
Forscher des Toyota Research Institute of North America (TRINA) um Dr. John Muldoon haben nun gemeinsam mit Kollegen einen fluorfreien Elektrodenbinder untersucht. Er soll zwei bisher miteinander verknüpfte Schwierigkeiten lösen: die Herstellung weniger belastend machen und gebrauchte Elektroden leichter zerlegbar machen.
Herkömmliche fluorhaltige Bindemittel lassen sich nach dem Gebrauch nur schwer von den Elektrodenmaterialien trennen. Um ihre Rückstände zu entfernen, sind vielfach hohe Temperaturen oder aggressive Chemikalien nötig. Dabei können fluorhaltige Nebenprodukte entstehen, die das wiedergewonnene Material verunreinigen.
„Doch genau diese Stabilität macht das Recycling von Batterien auch erheblich schwieriger“, erklärt Prof. Zheng Chen von der University of California San Diego (UC San Diego).
Auch schon die Fertigung benötigt zusätzliche Energie: Das organische Lösungsmittel muss aus den beschichteten Elektroden verdampft, aufgefangen und für den nächsten Einsatz gereinigt werden. Diese Schritte sind technisch aufwendig und erhöhen den Ressourcenbedarf.
„Diese zusätzlichen Schritte erhöhen die Kosten und den Energieverbrauch sowie die Umweltbelastung der Batterieherstellung erheblich“, erklärt Erstautor Jiao Lin von der UC San Diego.
Der neue Binder basiert auf Polyacrylsäure und Carboxymethylcellulose, einem aus pflanzlicher Cellulose abgeleiteten Stoff. Beide Polymere werden zunächst in Wasser gelöst. Anschließend verknüpft Zitronensäure die Molekülketten zu einem belastbaren Netzwerk, das sich gut an Elektrodenpartikel und Metallfolien heftet.
Dabei wirken verschiedene Arten chemischer Bindungen zusammen: Wasserstoffbrücken, feste kovalente Verknüpfungen und ionische Wechselwirkungen. Nach den Untersuchungen ist diese Kombination ausreichend stabil, um den Belastungen in der Batterie standzuhalten. Zugleich benötigt die Herstellung der Elektroden kein fluorhaltiges Bindemittel und kein NMP als Lösungsmittel.