Yksi kierrätyksen ongelmista on se, että itse materiaalin hinta on alhainen ja kierrätysprosessi ei ole halpa. Uuden teknologian tavoitteena on tehostaa litiumakkujen kierrätystä alentamalla kustannuksia entisestään ja käyttämällä ympäristöystävällisiä ainesosia.

Uusi käsittelytekniikka voi palauttaa käytetyn katodimateriaalin alkuperäiseen tilaansa, mikä vähentää kierrätyskustannuksia entisestään. Kalifornian yliopiston San Diegossa nanoinsinöörien kehittämä tekniikka on ympäristöystävällisempi kuin nykyisin käytetyt menetelmät. Se käyttää vihreämpiä raaka-aineita, vähentää energiankulutusta 80–90 prosenttia ja kasvihuonekaasupäästöjä 75 prosenttia.

Tutkijat kuvaavat työtään 12. marraskuuta Joulessa julkaistussa paperissa.

Tämä tekniikka on erityisen ihanteellinen litiumrautafosfaatista (LFP) valmistetuille katodeille. LFP-katodiakut ovat halvempia kuin muut litiumakut, koska ne eivät käytä jalometalleja, kuten kobolttia tai nikkeliä. LFP-akut ovat myös kestävämpiä ja turvallisempia. Niitä käytetään laajalti sähkötyökaluissa, sähköbusseissa ja sähköverkoissa. Tesla Model 3 käyttää myös LFP-akkuja.

“Nämä edut huomioon ottaen LFP-akuilla on kilpailuetu muihin markkinoilla oleviin litiumakkuihin verrattuna”, sanoi Zheng Chen, nanotekniikan professori Kalifornian yliopistosta San Diegosta.

Onko jokin ongelma? “Näiden akkujen kierrättäminen ei ole kustannustehokasta.” “Se kohtaa saman ongelman kuin muovi – materiaali itsessään on halpaa, mutta sen kierrätystapa ei ole halpaa”, Chen sanoi.

Chenin ja hänen tiiminsä kehittämät uudet kierrätystekniikat voivat vähentää näitä kustannuksia. Tekniikka toimii matalissa lämpötiloissa (60-80 astetta) ja ympäristön paineessa, joten se kuluttaa vähemmän sähköä kuin muut menetelmät. Lisäksi sen käyttämät kemikaalit, kuten litium, typpi, vesi ja sitruunahappo, ovat halpoja ja mietoja.

“Koko kierrätysprosessi suoritetaan erittäin turvallisissa olosuhteissa, joten emme tarvitse erityisiä turvatoimenpiteitä tai erikoislaitteita”, sanoi Pan Xu, tutkimuksen johtava kirjoittaja ja tohtoritutkija Chenin laboratoriossa. Siksi akkujen kierrätyskustannukset ovat alhaiset. ”

Ensinnäkin tutkijat kierrättivät LFP-akkuja, kunnes ne menettivät puolet tallennuskapasiteetistaan. Sitten he purtivat akun, keräsivät sen katodijauheen ja liottivat sen litiumsuolan ja sitruunahapon liuokseen. Seuraavaksi he pestiin liuoksen vedellä ja antoivat jauheen kuivua ennen sen kuumennusta.

Tutkijat käyttivät jauhetta uusien katodien valmistukseen, joita on testattu nappikennissä ja pussikennoissa. Sen sähkökemiallinen suorituskyky, kemiallinen koostumus ja rakenne on palautettu täysin alkuperäiseen tilaan.

Kun akun kierrätystä jatketaan, katodissa tapahtuu kaksi tärkeää rakennemuutosta, jotka heikentävät sen suorituskykyä. Ensimmäinen on litiumionien katoaminen, jotka muodostavat katodirakenteessa tyhjiä tiloja. Toiseksi, toinen rakenteellinen muutos tapahtui, kun kiderakenteen rauta- ja litium-ionit vaihtoivat paikkoja. Kun näin tapahtuu, ionit eivät voi helposti vaihtaa takaisin, joten litiumionit juuttuvat eivätkä voi kiertää akun läpi.

Tässä tutkimuksessa ehdotettu käsittelymenetelmä täydentää ensin litiumioneja, jolloin rauta-ionit ja litiumionit voidaan helposti vaihtaa takaisin alkuperäisiin asentoihinsa, jolloin katodirakenne palautuu. Toinen vaihe on käyttää sitruunahappoa, joka toimii pelkistimenä luovuttaessaan elektroneja toiselle aineelle. Se siirtää elektroneja rautaioneihin vähentäen niiden positiivista varausta. Tämä minimoi elektronien hylkimisen ja estää rauta-ioneja palaamasta alkuperäisille paikoilleen kiderakenteessa vapauttaen samalla litiumioneja takaisin kiertoon.

Vaikka kierrätysprosessin kokonaisenergiankulutus on alhainen, tutkijoiden mukaan tarvitaan lisätutkimusta suurten akkumäärien keräämisen, kuljetuksen ja hävittämisen logistiikasta.

“Seuraava haaste on selvittää, kuinka nämä logistiset prosessit voidaan optimoida.” “Tämä tuo kierrätysteknologiamme askeleen lähemmäksi teollista sovellusta”, Chen sanoi.