Selektive Extraktion von Lithium aus sauren Chlorid-Laugungen verbrauchter Batterien

Warum alte Batterien immer noch wichtig sind

Lithium-Ionen-Batterien treiben unsere Telefone, Laptops und Elektroautos an, doch das Lithium in ihnen ist schwer zurückzugewinnen, sobald die Batterien das Ende ihrer Lebensdauer erreicht haben. Heute geht ein großer Teil dieses Lithiums verloren oder wird erst nach vielen kostenintensiven Schritten zurückgewonnen. Diese Studie untersucht einen einfacheren Weg, Lithium frühzeitig aus der sauren Flüssigkeit zu entnehmen, die entsteht, wenn geschredderte Batterien chemisch aufgelöst werden. Ziel ist es, Energie, Chemikalien und wertvolle Metalle zu sparen.

Aus geschredderten Zellen wird nützliche Flüssigkeit

Moderne Batterierecyclingprozesse beginnen oft mit der sogenannten „Black Mass“, einem dunklen Pulver, das durch Zerkleinern verbrauchter Zellen entsteht. Dieses Pulver ist reich an Lithium, enthält aber auch Nickel, Kobalt, Mangan und weitere Metalle. Ein gängiger Ansatz ist, die Black Mass in Salzsäure aufzulösen, sodass eine salzige Lösung entsteht, die nahezu alle Metalle gleichzeitig enthält. Das Problem ist, dass bestehende Rückgewinnungsmethoden sich in der Regel zuerst auf die wertvolleren Metalle konzentrieren und das Lithium zuletzt behandeln, wenn es verdünnt, teilweise verloren und mit vielen Verunreinigungen vermischt ist. Lithium früher aus derselben sauren Lösung zurückzugewinnen wäre effizienter, erfordert jedoch ein Material, das Lithium selektiv fassen kann, ohne andere Metalle mitzunehmen.

Eine maßgeschneiderte Flüssigkeit, die Lithium bevorzugt

Die Forscher entwickelten eine spezielle organische Phase, die auf molekularer Ebene wie ein Filter wirkt. Sie kombiniert drei Bestandteile: Eisenionen, ein übliches industrielles Lösungsmittel namens Tributylphosphat und ein säurehaltiges Hilfsmolekül bekannt als P507. Wenn diese organische Phase mit der sauren Batterie-Laugung vermischt wird, wandern Lithiumionen viel leichter in die organische Flüssigkeit als Nickel-, Kobalt- oder Manganionen. Das Team passte das Verhältnis zwischen P507 und Eisen sorgfältig an, sodass die Flüssigkeit sowohl Lithium aus der Laugung aufnehmen als es später wieder in sauberes Wasser abgeben kann, wobei das Eisen in der organischen Phase gebunden bleibt und wiederverwendet werden kann.

Schritt für Schritt: von der gemischten Suppe zum reinen Lithium

Es wurden zwei leicht unterschiedliche Prozessvarianten getestet. In der ersten wurde die organische Phase direkt aus der Batterie-Laugung mit Lithium beladen, und P507 wurde anschließend hinzugefügt, um das System zu stabilisieren. In der zweiten Variante wurde das Eisen zunächst mithilfe einer einfachen Stammlösung in die organische Phase vorgeladen, bevor diese mit der realen Laugung in Kontakt kam. Beide Wege wurden von drei Schlüsselstufen begleitet: Scrubbing zur Abwäsche von Spurenverunreinigungen, Stripping zur Überführung des Lithiums aus der organischen Phase ins Wasser und Regeneration zur Vorbereitung der organischen Phase für einen weiteren Zyklus. Bei einem geeigneten Mischverhältnis zwischen organischer und wässriger Phase und einem P507-zu-Eisen-Verhältnis von etwa 1,5 bis 1,7 extrahierte der Prozess über mehrere Kontaktstufen mehr als 90 Prozent des Lithiums, während Nickel und Kobalt nahezu vollständig in der Ausgangslösung zurückblieben.

Das System stabil und wiederverwendbar halten

Das Team nutzte Infrarot- und UV-Vis-Spektroskopie, um zu bestätigen, wie Eisen und die organischen Moleküle innerhalb des flüssigen Filters wechselwirken. Diese Tests zeigten, dass das Eisen in einer gebundenen Form verbleibt, die in der organischen Phase verbleibt, selbst wenn der Chloridgehalt beim Wässern abnimmt. Dadurch kann dasselbe Lösungsmittel über mehrere Zyklen ohne nennenswerten Eisenverlust oder Leistungseinbußen wiederverwendet werden. Über sechs aufeinanderfolgende Durchläufe blieb die einstufige Lithiumextraktion nahe 65 Prozent, und der finale lithiumreiche Wasserstrom enthielt 11 bis 14 Gramm Lithium pro Liter, während Nickel und Kobalt unterhalb der Nachweisgrenze lagen und Mangan nahezu nicht vorhanden war.

Was das für saubereres Batterierecycling bedeutet

Für den Nichtfachmann ist das wichtigste Ergebnis, dass Lithium frühzeitig aus einer rauen, salzhaltigen Batterie-Laugung mit einem wiederverwendbaren flüssigen Filter und nur Wasser für den letzten Rückgewinnungsschritt herausgezogen werden kann. Das vermeidet das Aufheizen der Black Mass auf hohe Temperaturen, reduziert den Einsatz zusätzlicher Säuren und Basen und verhindert die Einführung zusätzlicher Verunreinigungsmetalle. In einer industriellen Recyclinganlage könnte die gereinigte Laugung anschließend mit bestehenden Methoden behandelt werden, um Nickel, Kobalt und Mangan zurückzugewinnen, während der lithiumreiche Wasserstrom zu batterietauglichen Lithiumsalzen weiterverarbeitet werden könnte. Zusammengenommen bieten diese Schritte einen effizienteren und potenziell nachhaltigeren Weg, Lithium in wiederaufladbaren Batterien im Kreislauf zu halten.

Zitation: Saleem, U., Buvik, V., Bandyopadhyay, S. et al. Selective extraction of lithium from acidic chloride leachates of spent batteries. Sci Rep 16, 14984 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43332-y

Schlüsselwörter: Lithium-Recycling, Batterie-Laugung, Lösungsmittelextraktion, Black Mass, Hydrometallurgie