Es gibt viele Probleme rund um die Beschaffung von Kobalt, einem wichtigen Bestandteil von Lithium-Ionen-Batterien, die viele Technologien antreiben, die für das moderne Leben von zentraler Bedeutung sind, von Mobiltelefonen und Herzschrittmachern bis hin zu Elektrofahrzeugen. „Viele von uns haben vielleicht gelesen, wie wichtig Lithium-Ionen-Batterien für die Energiespeichertechnologien sind“, sagt Eric Schelter, Hirschmann-Makineni-Professor für Chemie an der Universität von Pennsylvania. „Aber die Art und Weise, wie die Materialien, aus denen solche Batterien bestehen, gewonnen werden, kann sowohl ethisch als auch ökologisch bedenklich und problematisch sein.
Schelter sagt, dass der Kobaltabbau in der Demokratischen Republik Kongo, die etwa 70 Prozent des weltweit geförderten Kobalts liefert, aufgrund der Umweltzerstörung und der unsicheren Arbeitsbedingungen Anlass zur Sorge gibt und dass der großflächige Abbau Ökosysteme stört, die Wasserversorgung verseuchen und bleibende Umweltschäden hinterlassen kann. Darüber hinaus weist er darauf hin, dass eine drohende Kobaltknappheit die globalen Lieferketten zu belasten droht, da die Nachfrage nach Batterietechnologien weiter steigt.
Aus diesem Grund hat sich sein Labor auf die Abtrennung von batteriekritischen Metallen wie Nickel und Kobalt konzentriert. In einer neuen Arbeit stellen Schelters Team und Mitarbeiter der Northwestern University einen einfacheren, nachhaltigeren und billigeren Weg zur Abtrennung beider Metalle aus Materialien vor, die sonst als Abfall gelten würden. „Unsere Chemie ist attraktiv, weil sie einfach ist, gut funktioniert und Nickel und Kobalt effizient trennt – eines der schwierigsten Trennungsprobleme in diesem Bereich“, sagt Schelter. „Dieser Ansatz bietet zwei wesentliche Vorteile: Er erhöht die Kapazität zur Herstellung von gereinigtem Kobalt aus dem Bergbau mit potenziell minimaler Umweltbelastung, indem er die Härte herkömmlicher Reinigungschemikalien beseitigt, und er schafft einen Wert für ausrangierte Batterien, indem er eine effiziente Möglichkeit zur Trennung von Nickel und Kobalt bietet.“
Die richtigen Zutaten für die selektive Trennung
Normalerweise, so die Forscher, wird Kobalt oft als Nebenprodukt des Nickelabbaus durch hydrometallurgische Verfahren wie Säureauslaugung und Lösungsmittelextraktion gewonnen, bei denen Kobalt und Nickel von den Erzen getrennt werden. Dies ist eine energieintensive Methode, bei der erhebliche gefährliche Abfälle anfallen. Das Verfahren, das Schelter und sein Team entwickelt haben, um dies zu umgehen, basiert auf einer chemischen Trenntechnik, die die Unterschiede in der Ladungsdichte und den Bindungen zwischen zwei Molekülkomplexen ausnutzt: dem Kobalt(III)-Hexammin-Komplex und dem Nickel(II)-Hexammin-Komplex.
„In der Trennungschemie geht es oft darum, Unterschiede zwischen den Dingen, die man trennen will, zu manifestieren“, sagt Schelter, „und in diesem Fall haben wir Bedingungen gefunden, unter denen Ammoniak, das relativ einfach und kostengünstig ist, unterschiedlich an die Nickel- und Kobalt-Hexammin-Komplexe bindet.“ Indem sie ein spezifisches negativ geladenes Molekül oder Anion wie Karbonat in das System einbrachten, schufen sie eine molekulare Festkörperstruktur, die den Kobaltkomplex aus der Lösung ausfallen lässt, während der Nickelkomplex in Lösung bleibt.
Ihre Arbeit zeigte, dass das Carbonat-Anion selektiv mit dem Kobaltkomplex interagiert, indem es starke „Wasserstoffbrücken“ bildet, die einen stabilen Niederschlag erzeugen. Nach der Ausfällung wird der kobaltangereicherte Feststoff durch Filtration abgetrennt, mit Ammoniak gewaschen und getrocknet. Die verbleibende Lösung enthält Nickel, das dann separat verarbeitet werden kann.
„Mit diesem Verfahren werden nicht nur hohe Reinheiten für beide Metalle – 99,4 Prozent für Kobalt und mehr als 99 Prozent für Nickel – erreicht, sondern auch der Einsatz von organischen Lösungsmitteln und aggressiven Säuren vermieden, die bei herkömmlichen Trennverfahren üblich sind“, sagt Erstautor Boyang (Bobby) Zhang, Doktorand an der School of Arts & Sciences der Penn University. „Es handelt sich um einen inhärent einfachen und skalierbaren Ansatz, der ökologische und wirtschaftliche Vorteile bietet.
Techno-ökonomische und Lebenszyklus-Analysen
Bei der Bewertung der realen Anwendbarkeit ihrer neuen Methode führte das Team unter der Leitung von Marta Guron sowohl eine technisch-ökonomische Analyse als auch eine Lebenszyklusanalyse durch. Erstere ergab geschätzte Produktionskosten von 1,05 US-Dollar/g gereinigtem Kobalt, was deutlich unter den 2,73 US-Dollar/g liegt, die bei einem bekannten Trennverfahren anfallen. „Wir haben uns darauf konzentriert, die chemischen Kosten zu minimieren und gleichzeitig leicht verfügbare Reagenzien zu verwenden, was unsere Methode potenziell wettbewerbsfähig mit bestehenden Technologien macht“, sagt Schelter.
Die Lebenszyklusanalyse ergab, dass das Verfahren durch den Verzicht auf flüchtige organische Chemikalien und gefährliche Lösungsmittel die Umwelt- und Gesundheitsrisiken erheblich reduzieren kann, was durch Messgrößen wie das Smogbildungspotenzial und die Humantoxizität durch Einatmen bestätigt wurde, bei denen das Verfahren mindestens eine Größenordnung besser abschnitt als herkömmliche Methoden. „Dies bedeutet weniger Treibhausgasemissionen und weniger gefährliche Abfälle, was sowohl für die Umwelt als auch für die öffentliche Gesundheit ein großer Gewinn ist“, so Zhang.
Sauberer Weg in die Zukunft
Aufgrund der Art und Weise, wie das Team die Trennung erreicht hat, sagt Schelter, dass diese Arbeit einen spannenden grundlagenwissenschaftlichen Aspekt hat, den man seiner Meinung nach in viele verschiedene Richtungen weiterführen kann, auch für andere Metalltrennungsprobleme.
„Basierend auf den einzigartigen molekularen Erkennungsprinzipien, die wir im Laufe dieser Arbeit identifiziert haben, denke ich, dass wir diese Arbeit in viele verschiedene Richtungen ausweiten können“, sagt er. „Wir könnten sie auf andere Metalltrennungsprobleme anwenden und damit letztlich eine breitere Innovation in der nachhaltigen Chemie und der Materialrückgewinnung vorantreiben.“
