One of the difficulties with recycling is that the cost of the material itself is low, and the recycling process is not cheap. A new technology hopes to boost the recycling of lithium batteries by further reducing costs and using eco-friendly ingredients.

Een nieuwe behandelingstechniek kan gebruikt kathodemateriaal in de oorspronkelijke staat terugbrengen, waardoor de recyclingkosten verder worden verlaagd. De technologie, ontwikkeld door nano-ingenieurs van de Universiteit van Californië, San Diego, is milieuvriendelijker dan de methoden die momenteel worden gebruikt. Het gebruikt groenere grondstoffen, vermindert het energieverbruik met 80 tot 90 procent en vermindert de uitstoot van broeikasgassen met 75 procent.

De onderzoekers beschrijven hun werk in een paper dat op 12 november in Joule is gepubliceerd.

Deze techniek is vooral ideaal voor kathoden gemaakt van lithiumijzerfosfaat (LFP). LFP-kathodebatterijen zijn goedkoper dan andere lithiumbatterijen omdat ze geen edele metalen zoals kobalt of nikkel gebruiken. LFP-batterijen zijn ook duurzamer en veiliger. Ze worden veel gebruikt in elektrisch gereedschap, elektrische bussen en elektriciteitsnetten. De Tesla Model 3 gebruikt ook LFP-batterijen.

“Considering these advantages, LFP batteries will have a competitive advantage over other lithium batteries on the market,” said Zheng Chen, a professor of nanoengineering at the University of California, San Diego.

Is er een probleem? “Het is niet rendabel om deze batterijen te recyclen.” “Het staat voor hetzelfde dilemma als plastic: het materiaal zelf is goedkoop, maar de manier om het te recyclen is niet goedkoop”, zei Chen.

New recycling technologies developed by Chen and his team could reduce these costs. The technology works at low temperatures (60 to 80 degrees Celsius) and ambient pressure, so it consumes less electricity than other methods. Plus, the chemicals it uses, like lithium, nitrogen, water, and citric acid, are cheap and mild.

“The entire recycling process is carried out under very safe conditions, so we don’t need any special safety measures or special equipment,” said Pan Xu, the study’s lead author and a postdoctoral researcher in Chen’s lab. That’s why our battery recycling costs are low. ”

Ten eerste recycleerden de onderzoekers LFP-batterijen totdat ze de helft van hun opslagcapaciteit verloren. Vervolgens haalden ze de batterij uit elkaar, verzamelden het kathodepoeder en dompelden het in een oplossing van lithiumzouten en citroenzuur. Vervolgens wasten ze de oplossing met water en lieten ze het poeder drogen voordat ze het verhitten.

De onderzoekers gebruikten het poeder om nieuwe kathoden te maken, die zijn getest in knoopcellen en buidelcellen. De elektrochemische prestaties, chemische samenstelling en structuur zijn volledig in de oorspronkelijke staat hersteld.

Terwijl de batterij wordt gerecycled, ondergaat de kathode twee belangrijke structurele veranderingen die de prestaties verminderen. De eerste is het verlies van lithiumionen, die holtes vormen in de kathodestructuur. Ten tweede vond er een andere structurele verandering plaats toen de ijzer- en lithiumionen in de kristalstructuur van plaats wisselden. Zodra dat gebeurt, kunnen de ionen niet gemakkelijk terugschakelen, zodat de lithiumionen vast komen te zitten en niet door de batterij kunnen fietsen.

De in dit onderzoek voorgestelde behandelmethode vult in de eerste plaats lithiumionen aan, zodat ijzerionen en lithiumionen gemakkelijk terug kunnen worden geschakeld naar hun oorspronkelijke posities, waardoor de kathodestructuur wordt hersteld. De tweede stap is het gebruik van citroenzuur, dat werkt als een reductiemiddel om elektronen af ​​te staan ​​aan een andere stof. Het brengt elektronen over naar de ijzerionen, waardoor hun positieve lading wordt verminderd. Dit minimaliseert de elektronenafstoting en voorkomt dat de ijzerionen terugkeren naar hun oorspronkelijke posities in de kristalstructuur, terwijl lithiumionen weer vrijkomen in de cyclus.

While the overall energy consumption of the recycling process is low, the researchers say further research is needed on the logistics of collecting, transporting and disposing of large quantities of batteries.

“De volgende uitdaging is om erachter te komen hoe we deze logistieke processen kunnen optimaliseren.” “Dit zal onze recyclingtechnologie een stap dichter bij industriële toepassing brengen”, zei Chen.