Jedną z trudności związanych z recyklingiem jest niski koszt samego materiału, a sam proces recyklingu nie jest tani. Nowa technologia ma na celu zwiększenie recyklingu baterii litowych poprzez dalsze obniżanie kosztów i stosowanie przyjaznych dla środowiska składników.

Nowa technika obróbki może przywrócić zużyty materiał katodowy do pierwotnego stanu, co dodatkowo zmniejsza koszty recyklingu. Opracowana przez nanoinżynierów z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego technologia jest bardziej przyjazna dla środowiska niż obecnie stosowane metody. Wykorzystuje bardziej ekologiczne surowce, zmniejsza zużycie energii o 80 do 90 procent i zmniejsza emisje gazów cieplarnianych o 75 procent.

Naukowcy szczegółowo opisali swoją pracę w artykule opublikowanym 12 listopada w Joule.

Ta technika jest szczególnie idealna dla katod wykonanych z fosforanu litowo-żelazowego (LFP). Baterie katodowe LFP są tańsze niż inne baterie litowe, ponieważ nie wykorzystują metali szlachetnych, takich jak kobalt czy nikiel. Akumulatory LFP są również trwalsze i bezpieczniejsze. Są szeroko stosowane w elektronarzędziach, autobusach elektrycznych i sieciach energetycznych. Tesla Model 3 wykorzystuje również baterie LFP.

„Biorąc pod uwagę te zalety, akumulatory LFP będą miały przewagę konkurencyjną nad innymi akumulatorami litowymi na rynku” — powiedział Zheng Chen, profesor nanoinżynierii na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego.

Czy jest jakiś problem? „Recykling tych baterii nie jest opłacalny”. „Staje przed tym samym dylematem, co tworzywa sztuczne — sam materiał jest tani, ale sposób na jego recykling nie jest tani” – powiedział Chen.

Nowe technologie recyklingu opracowane przez Chena i jego zespół mogą obniżyć te koszty. Technologia działa w niskich temperaturach (od 60 do 80 stopni Celsjusza) i ciśnieniu otoczenia, dzięki czemu zużywa mniej energii elektrycznej niż inne metody. Ponadto stosowane przez niego chemikalia, takie jak lit, azot, woda i kwas cytrynowy, są tanie i łagodne.

„Cały proces recyklingu odbywa się w bardzo bezpiecznych warunkach, więc nie potrzebujemy żadnych specjalnych środków bezpieczeństwa ani specjalnego sprzętu” — powiedział Pan Xu, główny autor badania i badacz podoktorancki w laboratorium Chena. Dlatego nasze koszty recyklingu baterii są niskie. ”

Po pierwsze, naukowcy poddawali recyklingowi baterie LFP, dopóki nie straciły połowy swojej pojemności. Następnie zdemontowali baterię, zebrali proszek katodowy i namoczyli go w roztworze soli litu i kwasu cytrynowego. Następnie przemyli roztwór wodą i pozostawili proszek do wyschnięcia przed podgrzaniem.

Naukowcy wykorzystali proszek do wytworzenia nowych katod, które przetestowano w ogniwach guzikowych i komorach woreczkowych. Jego parametry elektrochemiczne, skład chemiczny i struktura zostały całkowicie przywrócone do pierwotnego stanu.

Ponieważ bateria jest nadal poddawana recyklingowi, katoda przechodzi dwie ważne zmiany strukturalne, które zmniejszają jej wydajność. Pierwszym z nich jest utrata jonów litu, które tworzą puste przestrzenie w strukturze katody. Po drugie, kolejna zmiana strukturalna nastąpiła, gdy jony żelaza i litu w strukturze krystalicznej zamieniły się miejscami. Gdy tak się stanie, jony nie będą mogły się łatwo przełączyć z powrotem, więc jony litu utkną i nie będą mogły przejść przez baterię.

Zaproponowana w niniejszym opracowaniu metoda obróbki w pierwszej kolejności uzupełnia jony litu, dzięki czemu jony żelaza i jony litu można łatwo przestawić z powrotem do swoich pierwotnych pozycji, przywracając w ten sposób strukturę katody. Drugim krokiem jest użycie kwasu cytrynowego, który działa jako środek redukujący, oddając elektrony innej substancji. Przenosi elektrony na jony żelaza, zmniejszając ich ładunek dodatni. Minimalizuje to odpychanie elektronów i zapobiega powracaniu jonów żelaza do ich pierwotnych pozycji w strukturze krystalicznej, jednocześnie uwalniając jony litu z powrotem do cyklu.

Chociaż ogólne zużycie energii w procesie recyklingu jest niskie, naukowcy twierdzą, że potrzebne są dalsze badania nad logistyką zbierania, transportu i utylizacji dużych ilości baterii.

„Następnym wyzwaniem jest ustalenie, jak zoptymalizować te procesy logistyczne”. „To przybliży naszą technologię recyklingu o krok do zastosowań przemysłowych” – powiedział Chen.