Die Toshiba Corporation hat ein Verfahren zum kostengünstigen und umweltschonenden Recycling von Oxidanoden aus Lithium-Ionen-Batterien entwickelt. Die im August 2023 in Kraft getretene EU-Batterieverordnung schreibt die Angabe des COXNUMX-Fußabdrucks (CFP) und ein hohes Maß an Umweltverträglichkeit während des gesamten Produktlebenszyklus vor und erfordert eine rasche Reaktion von Unternehmen auf der ganzen Welt. Toshiba hat ein direktes Recyclingverfahren entwickelt, das das Recycling von leistungsstarken, langlebigen Lithium-Ionen-Batterien mit Oxidanoden durch einen einfachen Wärmebehandlungsprozess ermöglicht, und hat die Wirksamkeit dieses Verfahrens unter Beweis gestellt.
Das Verfahren nutzt die Eigenschaften von oxidischen Aktivmaterialien mit stabilen Kristallstrukturen und verwendet direktes Recycling, bei dem Aktivmaterialien so recycelt werden, wie sie sind, ohne sie in chemische Elemente umzuwandeln. Das Aktivmaterial ist auf eine dünne Metallschicht, eine sogenannte Stromsammelfolie, aufgetragen. Dieses Recyclingverfahren nutzt die Stabilität der Aktivmaterialstruktur und ermöglicht es, das Aktivmaterial in diesem Zustand durch eine einfache Wärmebehandlung von der Stromsammelfolie der negativen Elektrode zu trennen.
Da die Struktur des Aktivmaterials stabil ist, sind keine komplexen Reaktivierungsprozesse erforderlich, sodass Aktivmaterialien kostengünstig wiederverwendet werden können. Darüber hinaus kann das Verfahren im Vergleich zu herkömmlichen Elektrodenrecyclingverfahren bei niedrigeren Temperaturen durchgeführt werden, wodurch die Umweltbelastung verringert wird. Beim Vergleich von mit dieser Methode recycelten Materialien mit Neumaterialien, die noch nie verwendet wurden, schätzt Toshiba, dass der CO85-Fußabdruck (CFP) um bis zu XNUMX % reduziert werden kann.
Darüber hinaus hat Toshiba diese Methode bei den von dem Unternehmen entwickelten Niob-Titanoxid-Anodenbatterien (NTO) angewendet. Leistungsbewertungen von Batterien, die mit recycelten Elektroden hergestellt wurden, bestätigten, dass die Elektroden mehr als 97 % ihrer Kapazität beibehalten, vergleichbar mit neuen Elektroden. Die Batterien zeigten auch die gleiche lange Lebensdauer wie neue Batterien.
Diese Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Nachhaltige Materialien und Technologien.
Hintergrund. Aufgrund der steigenden Nachfrage wurden beim Recycling von Kathodenmaterialien mit Kobalt und Nickel Fortschritte erzielt. Beim Recycling von Graphit, einem häufig in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Anodenmaterial, kam es jedoch nicht zu Fortschritten. Grund dafür sind die Komplexität der für das Recycling erforderlichen Prozesse, die durch Strukturveränderungen und Abbau nach längerem Gebrauch entstehen und erhebliche Kosten verursachen.
Anoden haben jedoch wie Kathoden einen bestimmten CFP-Wert, und dieser muss durch Recycling reduziert werden, was die Entwicklung einer einfacheren Recyclingmethode erforderlich macht. Toshiba hat Batterien mit Oxidanoden entwickelt, die für Nutzfahrzeuge geeignet sind, die in Zukunft voraussichtlich elektrifiziert werden, und die eine höhere Leistung und längere Lebensdauer bieten als Batterien mit Graphitanoden. Toshiba hat eine Recyclingmethode entwickelt, die die Eigenschaften von Oxidanoden nutzt, die im Vergleich zu Graphit leichter zu recyceln sind.
Beim Recycling der Aktivmaterialien von Batterien gibt es Methoden wie das Direktrecycling, bei dem das Aktivmaterial unter Beibehaltung seiner Struktur wiederverwendet wird, und Methoden, bei denen Aktivmaterialien nach der Zerlegung in ihre Elemente und deren Rückgewinnung erneut synthetisiert werden. Beim Recycling, bei dem das Aktivmaterial in chemische Elemente zerlegt wird, wird Energie für die erneute Synthese zur Verwendung benötigt, während beim Direktrecycling keine erneute Synthese erforderlich ist, wodurch sowohl die Kosten als auch die Umweltbelastung reduziert werden, was in den letzten Jahren Forschung und Entwicklung vorangetrieben hat.
Merkmale der Technologie. Angesichts dieser Anforderungen hat Toshiba eine Direktrecyclingtechnologie für Hochleistungs-Oxidanodenbatterien mit langer Lebensdauer entwickelt. Diese Technologie trennt nachweislich das aktive Material von der Stromsammelfolie der Oxidanodenelektroden, während die Struktur und Eigenschaften des aktiven Materials erhalten bleiben, und ermöglicht so eine direkte Wiederverwendung.
Um ein direktes Recycling zu erreichen, ist es wichtig, die strukturelle Stabilität des Aktivmaterials während des Recyclingprozesses aufrechtzuerhalten. Unter den Oxidanodenmaterialien weist die von Toshiba entwickelte Niob-Titanoxid-Anode (NTO) eine stabile Aktivmaterialstruktur auf. Toshiba nutzt diese Eigenschaft und hat ein Verfahren entwickelt, bei dem durch Wärmebehandlung die Bindemittelkomponente zersetzt wird, die das NTO in der Anode festhält. Dadurch lässt es sich von der Stromsammelfolie abziehen und leicht trennen und zurückgewinnen.
Darüber hinaus ermöglicht dieses Verfahren eine Verarbeitung bei niedrigeren Temperaturen im Vergleich zu den üblicherweise beim Elektrodenrecycling verwendeten Wärmebehandlungen, und das zurückgewonnene Aktivmaterial kann nach der Entfernung von Verunreinigungen direkt wiederverwendet werden.
Toshiba hat Elektroden unter Verwendung von NTO hergestellt, das aus simuliertem Elektrodenabfall recycelt wurde, der während der Batterieherstellung anfällt, sowie aus Batterien mit simulierter Degradation bis zum Ende ihrer Lebensdauer. Nach der Bewertung ihrer Leistung in Batterien wurde bestätigt, dass die aktive Materialkapazität, ein Indikator für die Leistung des aktiven Materials, mehr als 97 % der Leistung beibehält, vergleichbar mit einer neuen Batterie.
Darüber hinaus wurde bestätigt, dass diese recycelten Batterien auch nach wiederholtem Laden und Entladen die gleiche Kapazität wie neue Batterien behalten und so eine lange Lebensdauer gewährleisten.
Zukünftige Entwicklungen. Zunächst wird sich Toshiba auf die Entwicklung von Recyclingmethoden für Abfallmaterialien wie Elektrodenabfälle konzentrieren, die in Fabriken anfallen. Mit Blick auf die Phase, in der Altbatterien vom Markt gesammelt werden, möchte Toshiba einen Rahmen für die Einbindung von Recyclingmaterialien in Produkte schaffen und ein Recyclingsystem für die Rückgewinnung und das Recycling von NTO-Anodenzellen vom Markt entwickeln.
Quelle aus Green Car Kongress
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