Recycelte Batterieschrott erhöht die Speicherkapazität von Natrium-Ionen-Akkus über 300 Zyklen

Allerdings leiden viele Natrium-Ionen-Anodenmaterialien weiterhin unter schlechter Zyklusstabilität und begrenzter Ratenleistung, was ihre kommerzielle Machbarkeit einschränkt. Abfall treibt das Batteriedesign voran.

Um dies zu adressieren, haben Forscher der Henan-Normal-Universität und der Qilu-Universität für Technologie eine Strategie entwickelt, die sie als „Abfall-zu-Abfall"-Ansatz bezeichnen, bei der sowohl Elektronikschrott als auch industrieller Biomasse-Rückstand in ein funktionelles Batteriematerial umgewandelt werden.

Zuerst extrahierten und synthetisierten die Forscher NiCo₂S₄ aus entsorgten Mobilfunktelefonen mittels eines hydrothermalen Prozesses. Anschließend reinigten sie industriellen Lignin, kombinierten ihn mit dem zurückgewonnenen Sulfid-Vorstufe und führten eine alkalische Behandlung, Aktivierung sowie Karbonisierung unter Stickstoff durch. Die Tests zeigten, dass die Zugabe lediglich die Einführung.

Holz als technisches Geruest

Während der Kohlenstoffierung wurde zudem eine sekundäre Co₉S₈-Phase gebildet, wodurch eine duale Sulfidstruktur entsteht, die in ligninabgeleitetem Kohlenstoff eingebettet ist. Durch Mikroskopie und spektroskopische Analysen wurde die Bildung einer mesoporösen, wabenartigen Architektur bestätigt, die den Elektrolytzugang verbessert und die Bewegung beschleunigt.

Elektrochemische Tests zeigten, dass das optimierte Material eine anfängliche Entladungskapazität von 1.062,8 mAh g⁻¹ aufwies und nach 100 Lade-Entlade-Zyklen noch 244,5 mAh g⁻¹ beibehielt. Zudem wurde eine Kapazität von 207 mAh g⁻¹ nach 300 Zyklen bei einer Stromdichte von 0,5 A g⁻¹ erreicht. Die wabenartige Struktur verbessert den Ladungstransfer.

Das Material zeigte zudem ein verbessertes Ladungstransferverhalten und eine schnellere Natriumionendiffusion im Vergleich zu den anderen getesteten Proben, wie die Impedanzanalyse ergab. Die Forscher betonten, dass die schnelle, oberflächenkontrollierte Natriumspeicherung einen wesentlichen Beitrag zur Leistung des Materials leistet.

Computational-Modellierungen deuten zudem darauf hin,

Computational-Modellierungen deuten zudem darauf hin, dass die Heterostruktur aus NiCo₂S₄/Co₉S₈ die elektronische Leitfähigkeit verbessert und den Ladungstransfer begünstigt. Die Arbeit unterstreicht die zunehmenden Bemühungen, Batteriematerialien aus recycelten Rohstoffen zu entwickeln, während die Energiespeicherbranche nach kostengünstigeren und nachhaltigeren Alternativen zu konventionellen lithiumbasierten Systemen sucht.

Verlassene Batterien stellen weiterhin eine Umweltbelastung dar, da sie wiedergewinnbare Metalle enthalten, die bei unsachgemäßer Entsorgung oft verschwendet werden. Industrieller Lignin steht vor einem ähnlichen Problem: Ein Großteil davon wird trotz der weltweiten Massenproduktion verbrannt oder entsorgt.

Durch die Kombination beider Abfallströme in einem einzigen Natrium-Ionen-Batteriematerial glauben die Forscher, dass dieser Ansatz eine grünere Batteriefertigung für zukünftige Netzspeichersysteme, Elektrofahrzeuge und tragbare Elektronik unterstützen könnte. Die Studie wurde im Journal Biochar X veröffentlicht.