Fluor-Recycling für Lithium-Ionen-Akkus: Segen und Fluch zugleich

Maximilian Becker

Maximilian Becker is researching water-soluble electrolytes for lithium-ion batteries at Empa's laboratories. Bild ZVG EMPA

Lithium-Ionen-Akkus enthalten Fluor-reiche Salze, die an feuchter Luft zu giftigem, stark ätzendem Fluorwasserstoff zerfallen. Die Gefährlichkeit von Fluorwasserstoff erschwert und verteuert das Recycling. An der Empa startet nun ein Forschungsprojekt «Fluoribat», um dieses Problem zu lösen. So könnte der Lebenszyklus eines Akkus preisgünstiger ablaufen und zugleich sicherer werden.

Die Menge an Batterien, die uns umgibt, wird rasch zunehmen. Die Global Battery Alliance des World Economic Forum WEF rechnet mit einer Verzehnfachung der Antriebs- und Speicherbatterien innerhalb der nächsten zehn Jahre. Dabei werden Lithium-Ionen-Akkus den grössten Anteil ausmachen.

Segen und Fluch zugleich

Aufgrund der enormen Menge an Batterien, die in den kommenden Jahren gefertigt und rezykliert werden müssen, gerät ein chemisches Element in den Fokus, über das bislang nur selten diskutiert wurde: Fluor. Es steckt – in kleinen Mengen – in allen Lithium-Ionen-Akkus. Die Elektrolytflüssigkeit eines solchen Akkus enthält Hexafluorophosphat Anionen PF6- – eine Fluor-Verbindung, die für die Langzeitstabilität der Batterie sorgt und hohe Zellspannungen ermöglicht. Der Nachteil: PF6- zerfällt im Kontakt mit Wasser oder an feuchter Luft zu giftigem, stark ätzendem Fluorwasserstoff HF. Während die Batterie in Betrieb ist, muss sie also in einer vollkommen dichten, luftundurchlässigen Hülle stecken, sonst emittiert sie giftige Fluor-Verbindungen. Spätestens beim Recycling wird jedoch die luftdichte Hülle aufgeschlitzt. Der nun entstehende Fluorwasserstoff macht das Reycling kompliziert und teuer.

Forschungsansatz: wasserfeste Fluorsalze

Die Empa beginnt im Sommer 2020 mit dem Forschungsprojekt namens "Fluoribat", um diesem Problem entgegenzutreten. Das Forschungsteam von Corsin Battaglia, Leiter der Abteilung «Materials for Energy Conversion», hat einen neuen, nicht-brennbaren Wasser-basierten Elektrolyten für Lithium-Ionen-Batterien entwickelt, der mit bereits heute gebräuchlichen Elektrodenmaterialien in diesen Akkus kompatibel ist. "Unsere Zellen weisen nach 200 Lade- und Entladezyklen noch mehr als 80% der Anfangskapazität auf" sagt Maximilian Becker, Batterieforscher in der Abteilung von Corsin Battaglia.

Das gegenüber Wasser stabile Lithiumsalz, das in den experimentellen Batteriezellen der Empa verwendet wird, könnte im Grossmassstab zu konkurrenzfähigen Preisen hergestellt werden. Für eine erfolgreiche Kommerzialisierung muss die Langzeitstabilität weiter verbessert werden. Doch wenn sich diese Hürde überwinden lässt, könnte eine solche Batterie wesentlich kostengünstiger produziert und am Ende ihres Lebens rezykliert werden – eine absolut trockene Umgebung ist für beide Arbeitsschritte dann nicht mehr notwendig.

Forschungsansatz: Kreislaufwirtschaft

Stichflamme bei der Explosion eines Lithium-Ionen-Akkus (TypWasser-basiertes Recycling von alten Lithium-Ionen-Akkus eröffnet zugleich neue Chancen für eine Kreislaufwirtschaft. Wenn die Elektrolyt-Salze aus Batterien auf einfache Weise wiedergewonnen werden können, kann das darin enthaltene Fluor für neue Batterien verwendet werden – ein zunehmend wichtiger Aspekt bei der zu erwartenden Menge an Akkus. Die Empa-Abteilung "Technologie und Gesellschaft", unter Leitung von Patrick Wäger, ist spezialisiert auf das Recycling von Batterien und die Berechnung der Umweltauswirkungen neuer technologischer Anwendungen entlang ihres Lebenszyklus. Die Analyse soll zeigen, welche Vorteile Batterien haben, die auf wasserunempfindlichen Fluor-Salzen basieren. In der Studie soll diese neue Generation von Akkus hinsichtlich Sicherheit und Umwelt mit Akkus der heutigen Generation verglichen werden.

Batterieforschung in europäischem Rahmen

Die Empa ist Partner im Europäischen Projekt Battery2030+, dass die Batterieforschungsaktivitäten auf europäischer Ebene koordinieren wird. Ein wichtiges Ziel dieser Aktivitäten ist die Nachhaltigkeit von Batterien zu verbessern. Dazu ist es wichtig, nicht nur Metalle wie Kobalt, Nickel, Kupfer, Aluminium und Lithium möglichst im Kreislauf zu führen. Auch potentiell giftige Elemente wie Fluor müssen Teil von Nachhaltigkeitsbetrachtungen sein: Sie gilt es in sicheren, kontrollierten Bahnen zu halten.

Quelle: Eidg. Materialprüfungs- und Forschungsanstalt EMPA

22.7.2020