Recycling van lithium-ionbatterijen De productie en recycling van batterijen zouden milieuvriendelijker kunnen worden dankzij deze 'lijm'

Een fluorvrij bindmiddel dat in water kan worden verwerkt, zou de productie en recycling van lithium-ionbatterijen kunnen vereenvoudigen. Het is ontwikkeld aan de Universiteit van Californië in San Diego en zorgt ervoor dat elektrodecoatings zich in water van de metaalfolies kunnen losmaken; uit laboratoriumtests bleek dat de batterijen aanvankelijk vergelijkbare prestaties leverden en een beter behoud van de capaciteit vertoonden.

Een nieuw bindmiddel voor batterijen — de lijm die de interne onderdelen van een batterij bij elkaar houdt — zou lithium-ionbatterijen milieuvriendelijker en gemakkelijker te recyclen kunnen maken zonder dat dit ten koste gaat van de prestaties. Door een bindmiddel te ontwikkelen dat fluorvrij is en in water oplost, hebben ingenieurs van de Universiteit van Californië in San Diego aangetoond dat ze zowel de productie als de recycling van batterijen kunnen vereenvoudigen door het gebruik van giftige stoffen, het energieverbruik en de hoeveelheid afval te verminderen. Batterijen die met het nieuwe bindmiddel zijn gemaakt, presteerden net zo goed als conventionele lithium-ionbatterijen.

Het bindmiddel is het lijmachtige materiaal dat met elektrodepoeders wordt gemengd om vaste lagen te vormen, die vervolgens op dunne metaalfolies in de batterij worden aangebracht. Deze lagen worden op elkaar gestapeld en opgerold om een batterij te vormen. Hoewel het bindmiddel slechts een klein deel van het gewicht van een batterij uitmaakt, heeft het een grote invloed op de manier waarop de batterij wordt geproduceerd en gerecycled.

Galerie van afbeeldingen

In lithium-ionbatterijen wordt doorgaans een fluorhoudend bindmiddel gebruikt, omdat dit zorgt voor sterk hechtende, uniforme elektroden die stabiel blijven gedurende talrijke laad- en ontlaadcycli. Daardoor presteren de batterijen beter en gaan ze langer mee.

“Maar diezelfde stabiliteit maakt het ook veel moeilijker om batterijen te recyclen,” aldus Chen, wiens Sustainable Materials and Energy Lab aan de UC San Diego gespecialiseerd is in het ontwikkelen van efficiënte en milieuvriendelijke methoden om materialen uit afgedankte lithium-ionbatterijen terug te winnen en te herstellen.

Het probleem met fluor in bindmiddelen

Een fluorhoudend bindmiddel moet eerst in een giftig oplosmiddel worden opgelost voordat het met de elektrodepoeders kan worden gemengd. Nadat de elektroden zijn gecoat, worden grote droogovens gebruikt om het oplosmiddel te verdampen. Vervolgens zijn er extra stappen nodig om het oplosmiddel terug te winnen en te zuiveren, zodat het kan worden hergebruikt. „Die extra stappen verhogen de kosten en het energieverbruik – evenals de milieu-impact – van de batterijproductie aanzienlijk”, aldus de eerste auteur van de studie, Jiao Lin, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Chen.

Ook bindmiddelen die fluor bevatten, bemoeilijken het recyclingproces van batterijen. Deze bindmiddelen laten hardnekkige resten achter die alleen met hoge temperaturen of bijtende chemicaliën kunnen worden verwijderd. Dit leidt op zijn beurt tot gevaarlijk afval en tot fluorhoudende bijproducten die de teruggewonnen batterijmaterialen verontreinigen en het moeilijker maken om ze in nieuwe batterijen te hergebruiken.

Geen fluor of giftige oplosmiddelen meer

Om beide problemen op te lossen, heeft het team van Chen een bindmiddel ontwikkeld dat geen fluor bevat en kan worden verwerkt met een niet-giftig oplosmiddel: water. Hoewel er al andere in water oplosbare bindmiddelen bestaan, ontbreekt het hen aan de sterkte en duurzaamheid die nodig zijn voor hoogwaardige batterijen, legde Chen uit.

De nieuwe bindmiddel is gemaakt van twee goedkope en veelgebruikte polymeren. Polyacrylzuur zorgt ervoor dat het mengsel zich tijdens de productie gelijkmatig verspreidt en zorgt voor flexibiliteit. Carboxymethylcellulose, een plantaardig materiaal dat vaak wordt gebruikt in voedingsmiddelen en papierproducten, zorgt daarentegen voor sterkte en kleefkracht.

De polymeren werden eerst in water opgelost. Vervolgens voegden de onderzoekers citroenzuur toe – het van nature in citrusvruchten voorkomende zuur – om de polymeren chemisch aan elkaar te binden. Het resultaat is een hecht netwerk dat bijeen wordt gehouden door verschillende soorten chemische bindingen die elkaar versterken. Dat geeft dit bindmiddel de sterkte, flexibiliteit, stabiliteit en hechting die nodig zijn om te kunnen concurreren met conventionele fluorhoudende bindmiddelen.

Batterijen maken en recyclen met het nieuwe bindmiddel

Batterijen die waren vervaardigd met het nieuwe fluorvrije bindmiddel leverden dezelfde initiële prestaties als conventionele lithium-ionbatterijen. Ze behielden hun capaciteit zelfs langer na honderden tot duizenden laadcycli. Het bindmiddel was bovendien compatibel met verschillende soorten elektroden, waaronder lithium-ijzerfosfaat (LFP)-kathodes, nikkelrijke kathodes, grafietanodes en siliciumanodes.

Het nieuwe bindmiddel zou ook het recyclen van batterijen kunnen vereenvoudigen. In plaats van agressieve chemicaliën en hoge temperaturen te gebruiken om het te verwijderen, zoals bij fluorhoudende bindmiddelen het geval is, hebben de onderzoekers de batterij simpelweg gedemonteerd en de elektroden in water geweekt. Hierdoor loste het bindmiddel op en konden de elektrodecoatings netjes van de metalen folievellen worden gescheiden zonder resten achter te laten. De teruggewonnen elektrodematerialen werden vervolgens geregenereerd met behulp van directe recyclingprocessen en gebruikt voor de productie van nieuwe batterijen.

Deze gerecyclede batterijen presteerden net zo goed als batterijen die waren vervaardigd uit elektrodematerialen die waren teruggewonnen uit batterijen met een conventioneel, fluorhoudend bindmiddel.

De volgende stappen omvatten het opschalen van de productie van het bindmiddel met het oog op commerciële productie. De onderzoekers werken momenteel aan het optimaliseren van het bindmiddel voor verschillende batterijchemieën om de prestaties ervan te verbeteren. Chen en zijn team zijn van plan het bindmiddel op de markt te brengen via samenwerking met partners uit de industrie.

Oorspronkelijk artikel: Fluorvrij polymeerbindmiddel maakt circulaire productie en recycling van lithium-ionbatterijen mogelijk; Nature Communications; DOI:10.1038/s41467-026-78215-3