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Lithium-Ionen-Akkus enthalten fluorreiche 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, um dieses Problem zu lösen.
Die Menge an Batterien, die uns umgibt, werde rasch zunehmen, stellt die Empa in einer Mitteilung fest. Die Global Battery Alliance des World Economic Forum WEF rechne mit einer Verzehnfachung der Produktion von Antriebs- und Speicherbatterien innerhalb der nächsten zehn Jahre. Dabei würden Lithium-Ionen-Akkus den grössten Anteil ausmachen.
Segen und Fluch
Aufgrund der enormen Menge an Batterien, die in den kommenden Jahren gefertigt und rezykliert werden müssen, gerät, wie die Forscher mitteilen, Fluor in den Fokus. Dieses chemische Element steckt in kleinen Mengen in allen Lithium-Ionen-Akkus.
Die Elektrolytflüssigkeit eines solchen Akkus enthält die Fluor-Verbindung Hexafluorophosphat Anionen PF6-, die für die Langzeitstabilität der Batterie sorgt und hohe Zellspannungen ermöglicht. Der Nachteil ist, dass PF6- in Kontakt mit Wasser oder an feuchter Luft zu giftigem, stark ätzendem Fluorwasserstoff zerfällt.
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 dadurch entstehende Fluorwasserstoff macht das Reycling kompliziert und teuer.
Wasserfeste Fluorsalze
Die Empa beginnt nach eigenen Angaben im Sommer 2020 mit dem Forschungsprojekt namens "Fluoribat", um dem Problem entgegenzutreten. Das Forschungsteam von Corsin Battaglia, Leiter der Abteilung "Materials for Energy Conversion", hat laut Mitteilung einen neuen, nicht-brennbaren wasserbasierten 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 Prozent der Anfangskapazität auf", lässt sich Maximilian Becker, Batterieforscher in der Abteilung von Battaglia, in der Medienmitteilung zitieren.
Das gegenüber Wasser stabile Fluorsalz, das in den experimentellen Batteriezellen der Empa verwendet wird, könnte im Grossmassstab zu konkurrenzfähigen Preisen hergestellt werden. Für eine erfolgreiche Kommerzialisierung muss aber die Langzeitstabilität weiter verbessert werden.
Günstigere und besser rezyklierbare Alternative
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 für beide Arbeitsschritte wäre dann nicht mehr notwendig.
Wenn die Elektrolyt-Salze aus Batterien auf einfache Weise wiedergewonnen werden können, kann das darin enthaltene Fluor für neue Batterien verwendet werden. 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.