Одна из сложностей с утилизацией заключается в том, что стоимость самого материала невысока, а сам процесс переработки недешев. Новая технология надеется ускорить переработку литиевых батарей за счет дальнейшего снижения затрат и использования экологически чистых ингредиентов.

Новый метод обработки может вернуть использованный катодный материал в исходное состояние, что еще больше снизит затраты на переработку. Эта технология, разработанная наноинженерами из Калифорнийского университета в Сан-Диего, более экологична, чем используемые в настоящее время методы. Он использует экологически чистое сырье, снижает потребление энергии на 80–90 процентов и сокращает выбросы парниковых газов на 75 процентов.

Исследователи подробно описывают свою работу в статье, опубликованной 12 ноября в журнале Joule.

Этот метод особенно идеален для катодов из литий-железо-фосфата (LFP). Катодные батареи LFP дешевле, чем другие литиевые батареи, потому что в них не используются драгоценные металлы, такие как кобальт или никель. Аккумуляторы LFP также более долговечны и безопасны. Они широко используются в электроинструментах, электробусах и электрических сетях. В Tesla Model 3 также используются аккумуляторы LFP.

«Учитывая эти преимущества, батареи LFP будут иметь конкурентное преимущество перед другими литиевыми батареями на рынке», — сказал Чжэн Чен, профессор наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Есть ли проблема? «Перерабатывать эти батареи нерентабельно». «Он сталкивается с той же дилеммой, что и пластик — сам материал дешевый, но способ его переработки недешевый», — сказал Чен.

Новые технологии переработки, разработанные Ченом и его командой, могут снизить эти затраты. Технология работает при низких температурах (от 60 до 80 градусов Цельсия) и давлении окружающей среды, поэтому потребляет меньше электроэнергии, чем другие методы. Кроме того, используемые химические вещества, такие как литий, азот, вода и лимонная кислота, дешевы и мягки.

«Весь процесс переработки осуществляется в очень безопасных условиях, поэтому нам не нужны какие-либо специальные меры безопасности или специальное оборудование», — сказал Пан Сюй, ведущий автор исследования и научный сотрудник лаборатории Чена. Вот почему наши затраты на переработку аккумуляторов низкие. ”

Во-первых, исследователи перерабатывали батареи LFP до тех пор, пока они не потеряли половину своей емкости. Затем они разобрали аккумулятор, собрали его катодный порошок и погрузили в раствор солей лития и лимонной кислоты. Затем они промывали раствор водой и давали порошку высохнуть перед его нагреванием.

Исследователи использовали порошок для изготовления новых катодов, которые были протестированы в клетках типа Button и мешочках. Его электрохимические характеристики, химический состав и структура полностью восстанавливаются до исходного состояния.

Поскольку батарея продолжает перерабатываться, катод претерпевает два важных структурных изменения, которые снижают его производительность. Во-первых, это потеря ионов лития, которые образуют пустоты в структуре катода. Во-вторых, произошло еще одно структурное изменение, когда ионы железа и лития в кристаллической структуре поменялись местами. Как только это происходит, ионы не могут легко переключиться обратно, поэтому ионы лития застревают и не могут проходить через батарею.

Метод обработки, предложенный в этом исследовании, сначала восполняет ионы лития, так что ионы железа и ионы лития могут быть легко возвращены в исходное положение, тем самым восстанавливая структуру катода. Второй шаг заключается в использовании лимонной кислоты, которая действует как восстановитель для передачи электронов другому веществу. Он передает электроны ионам железа, уменьшая их положительный заряд. Это сводит к минимуму отталкивание электронов и предотвращает возвращение ионов железа в исходное положение в кристаллической структуре, одновременно высвобождая ионы лития обратно в цикл.

Хотя общее потребление энергии в процессе переработки невелико, исследователи говорят, что необходимы дальнейшие исследования логистики сбора, транспортировки и утилизации большого количества батарей.

«Следующая задача — выяснить, как оптимизировать эти логистические процессы». «Это сделает нашу технологию переработки еще на один шаг ближе к промышленному применению», — сказал Чен.