Mit der weltweit zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen und dem Aufbau einer Kreislaufwirtschaft, um die kostbaren Rohstoffe nach dem Autoleben nochmal nutzen zu können, rücken die ausgedienten Akkus mehr und mehr in den Mittelpunkt. Die Gewinnung und Raffination von Lithium ist kostspielig, und die meisten derzeitigen Recyclingverfahren sind energie- und chemikalienintensiv und produzieren oft Lithiumcarbonat, das für die Wiederverwendung weiter zu Lithiumhydroxid verarbeitet werden muss.
Anstatt zerkleinerte Batteriematerialien, die sog. Schwarze Masse, in starken Säuren zu schmelzen oder aufzulösen, hat ein Team von Ingenieuren der Rice University in Houston, Texas, einen ihren Angaben nach saubereren Ansatz entwickelt, bei dem die Abfallkathodenmaterialien wieder aufgeladen werden, um Lithiumionen in Wasser zu extrahieren, wo sie sich mit Hydroxid direkt zu hochreinem Lithiumhydroxid verbinden, womit ein Umwandlungsschritt entfallen würde.
„Wir haben uns eine grundlegende Frage gestellt: Wenn beim Laden einer Batterie Lithium aus der Kathode gezogen wird, warum sollte man dann nicht dieselbe Reaktion zum Recycling nutzen?“, erklärt Sibani Lisa Biswal, Vorsitzende des Fachbereichs für Chemie- und Biomolekulartechnik an der Rice University und Professorin für Chemieingenieurwesen. „Durch die Kombination dieser Chemie mit einem kompakten elektrochemischen Reaktor können wir Lithium sauber abtrennen und genau das Salz herstellen, das die Hersteller benötigen.“
In einer funktionierenden Batterie werden beim Laden Lithiumionen aus der Kathode gezogen. Das System von Rice wendet dasselbe Prinzip bei Abfallkathodenmaterialien wie Lithium-Eisenphosphat an. Zu Beginn der Reaktion wandern Lithiumionen durch eine dünne Membran in einen fließenden Wasserstrom. An der Gegenelektrode spaltet eine weitere einfache Reaktion Wasser, um Hydroxid zu erzeugen. Das Lithium und das Hydroxid verbinden sich dann im Wasserstrom zu Lithiumhydroxid, ohne dass aggressive Säuren oder zusätzliche Chemikalien erforderlich seien.
Die kürzlich im Fachblatt Joule veröffentlichte Studie demonstriert einen Membran-Elektroden-Reaktor, der lediglich Strom, Wasser und Batterieabfälle verwendet. In einigen Modi benötigte der Prozess nur 103 Kilojoule Energie pro Kilogramm schwarzer Masse – etwa eine Größenordnung weniger als bei herkömmlichen Säureauslaugungsverfahren (ohne deren zusätzliche Verarbeitungsschritte). Das Team skalierte das Gerät demnach auf 20 Quadratzentimeter, führte einen 1000-stündigen Stabilitätstest durch und verarbeitete 57 Gramm industrielle schwarze Masse, die von ihrem Industriepartner TotalEnergies bereitgestellt wurde.
„Die direkte Herstellung von hochreinem Lithiumhydroxid verkürzt den Weg zurück in neue Batterien“, sagt Haotian Wang, Associate Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik und neben Biswal Mitautor der Studie. „Das bedeutet weniger Verarbeitungsschritte, weniger Abfall und eine widerstandsfähigere Lieferkette.“
Der Prozess habe Lithiumhydroxid mit einer Reinheit von mehr als 99 Prozent erzeugt – rein genug, damit es direkt in die Batterieherstellung zurückgeführt werden kann. Er habe sich außerdem als äußerst energieeffizient erwiesen und in einem Modus nur 103 Kilojoule Energie pro Kilogramm Abfall und in einem anderen Modus 536 Kilojoule verbraucht. Das System habe sowohl Langlebigkeit als auch Skalierbarkeit bewiesen und über 1000 Stunden Dauerbetrieb eine durchschnittliche Lithium-Rückgewinnungsrate von fast 90 Prozent aufrecht halten können.
Der Ansatz funktionierte den Forschenden zufolge bei vielen verschiedenen gängigen Batteriechemien, darunter Lithium-Eisenphosphat, Lithium-Manganoxid und Nickel-Mangan-Kobalt-Varianten. Noch vielversprechender war, dass die Forscher die Roll-to-Roll-Verarbeitung ganzer Lithium-Eisenphosphat-Elektroden direkt aus Aluminiumfolie demonstrierten – ohne Schaben oder Vorbehandlung. „Die Roll-to-Roll-Demonstration zeigt, wie dies in automatisierte Demontagelinien integriert werden könnte“, sagte Wang. „Man führt die Elektrode zu, versorgt den Reaktor mit kohlenstoffarmem Strom und gewinnt Lithiumhydroxid in Batteriequalität.“
„Wir haben die Lithiumgewinnung sauberer und einfacher gemacht“
Als Nächstes planen die Forscher, die Technologie weiter zu skalieren, indem sie größere Stapel entwickeln, die Beladung mit schwarzer Masse erhöhen und selektivere, hydrophobe Membranen entwerfen, um eine hohe Effizienz bei höheren Lithiumhydroxidkonzentrationen aufrechtzuerhalten. Sie sehen auch die Nachbehandlung – das Konzentrieren und Kristallisieren von Lithiumhydroxid – als nächste große Chance, den Gesamtenergieverbrauch und die Emissionen zu senken.
„Wir haben die Lithiumgewinnung sauberer und einfacher gemacht“, sagte Biswal. „Jetzt sehen wir den nächsten Engpass klar vor uns. Wenn wir das Problem der Konzentration lösen, erreichen wir eine noch bessere Nachhaltigkeit.“
Quelle: Rice University – Pressemitteilung vom 10.11.2025
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