En av vanskelighetene med resirkulering er at kostnadene for selve materialet er lave, og resirkuleringsprosessen er ikke billig. En ny teknologi håper å øke resirkuleringen av litiumbatterier ved å redusere kostnadene ytterligere og bruke miljøvennlige ingredienser.

En ny behandlingsteknikk kan returnere brukt katodemateriale til sin opprinnelige tilstand, og redusere resirkuleringskostnadene ytterligere. Utviklet av nanoingeniører ved University of California, San Diego, er teknologien mer miljøvennlig enn metoder som brukes i dag. Den bruker grønnere råvarer, reduserer energiforbruket med 80 til 90 prosent, og reduserer klimagassutslippene med 75 prosent.

Forskerne beskriver arbeidet sitt i en artikkel publisert 12. november i Joule.

Denne teknikken er spesielt ideell for katoder laget av litiumjernfosfat (LFP). LFP katodebatterier er billigere enn andre litiumbatterier fordi de ikke bruker edle metaller som kobolt eller nikkel. LFP-batterier er også mer holdbare og sikrere. De er mye brukt i elektroverktøy, elektriske busser og strømnett. Tesla Model 3 bruker også LFP-batterier.

“Tatt i betraktning disse fordelene, vil LFP-batterier ha en konkurransefordel i forhold til andre litiumbatterier på markedet,” sa Zheng Chen, professor i nanoteknikk ved University of California, San Diego.

Er det noe problem? “Det er ikke kostnadseffektivt å resirkulere disse batteriene.” “Det står overfor det samme dilemmaet som plast – selve materialet er billig, men måten å resirkulere det på er ikke billig,” sa Chen.

Nye resirkuleringsteknologier utviklet av Chen og teamet hans kan redusere disse kostnadene. Teknologien fungerer ved lave temperaturer (60 til 80 grader Celsius) og omgivelsestrykk, så den bruker mindre strøm enn andre metoder. Dessuten er kjemikaliene den bruker, som litium, nitrogen, vann og sitronsyre, billige og milde.

“Hele resirkuleringsprosessen utføres under svært trygge forhold, så vi trenger ingen spesielle sikkerhetstiltak eller spesialutstyr,” sa Pan Xu, studiens hovedforfatter og en postdoktor i Chens laboratorium. Derfor er kostnadene våre for batteriresirkulering lave. ”

Først resirkulerte forskerne LFP-batterier til de mistet halvparten av lagringskapasiteten. Deretter demonterte de batteriet, samlet katodepulveret og dynket det i en løsning av litiumsalter og sitronsyre. Deretter vasket de løsningen med vann og lot pulveret tørke før det ble varmet opp.

Forskerne brukte pulveret til å lage nye katoder, som er testet i knappceller og poseceller. Dens elektrokjemiske ytelse, kjemiske sammensetning og struktur er fullstendig gjenopprettet til den opprinnelige tilstanden.

Ettersom batteriet fortsetter å resirkuleres, gjennomgår katoden to viktige strukturelle endringer som reduserer ytelsen. Den første er tapet av litiumioner, som danner hulrom i katodestrukturen. For det andre skjedde en annen strukturell endring når jern- og litiumionene i krystallstrukturen byttet plass. Når det først skjer, kan ikke ionene enkelt bytte tilbake, så litiumionene setter seg fast og kan ikke gå gjennom batteriet.

Behandlingsmetoden som er foreslått i denne studien fyller først på litiumioner, slik at jernioner og litiumioner lett kan byttes tilbake til sine opprinnelige posisjoner, og derved gjenopprette katodestrukturen. Det andre trinnet er å bruke sitronsyre, som fungerer som et reduksjonsmiddel for å donere elektroner til et annet stoff. Den overfører elektroner til jernionene, og reduserer deres positive ladning. Dette minimerer elektronavstøting og hindrer jernionene i å returnere til sine opprinnelige posisjoner i krystallstrukturen, samtidig som litiumioner frigjøres tilbake i syklusen.

Mens det totale energiforbruket til resirkuleringsprosessen er lavt, sier forskerne at ytterligere forskning er nødvendig på logistikken for innsamling, transport og avhending av store mengder batterier.

“Den neste utfordringen er å finne ut hvordan man kan optimalisere disse logistiske prosessene.” “Dette vil bringe resirkuleringsteknologien vår ett skritt nærmere industriell bruk,” sa Chen.