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.

En ny behandlingsteknik kan återställa använt katodmaterial till sitt ursprungliga tillstånd, vilket ytterligare minskar återvinningskostnaderna. Utvecklad av nanoingenjörer vid University of California, San Diego, är tekniken mer miljövänlig än de metoder som för närvarande används. Den använder grönare råvaror, minskar energiförbrukningen med 80 till 90 procent och minskar utsläppen av växthusgaser med 75 procent.

The researchers detail their work in a paper published Nov. 12 in Joule.

Denna teknik är särskilt idealisk för katoder gjorda av litiumjärnfosfat (LFP). LFP-katodbatterier är billigare än andra litiumbatterier eftersom de inte använder ädelmetaller som kobolt eller nickel. LFP-batterier är också mer hållbara och säkrare. De används ofta i elverktyg, elbussar och elnät. Tesla Model 3 använder också LFP-batterier.

“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.

Är det några problem? “Det är inte kostnadseffektivt att återvinna dessa batterier.” “Det står inför samma dilemma som plast – materialet i sig är billigt, men sättet att återvinna det är inte billigt,” sa Chen.

Ny återvinningsteknik utvecklad av Chen och hans team kan minska dessa kostnader. Tekniken fungerar vid låga temperaturer (60 till 80 grader Celsius) och omgivande tryck, så den förbrukar mindre el än andra metoder. Dessutom är kemikalierna den använder, som litium, kväve, vatten och citronsyra, billiga och milda.

“Hela återvinningsprocessen utförs under mycket säkra förhållanden, så vi behöver inga speciella säkerhetsåtgärder eller speciell utrustning”, säger Pan Xu, studiens huvudförfattare och postdoktor i Chens labb. Det är därför våra batteriåtervinningskostnader är låga. ”

Först återvann forskarna LFP-batterier tills de förlorade hälften av sin lagringskapacitet. De plockade sedan isär batteriet, samlade upp dess katodpulver och blötlade det i en lösning av litiumsalter och citronsyra. Därefter tvättade de lösningen med vatten och lät pulvret torka innan det värmdes upp.

Forskarna använde pulvret för att göra nya katoder, som har testats i knappceller och påsceller. Dess elektrokemiska prestanda, kemiska sammansättning och struktur är helt återställd till det ursprungliga tillståndet.

As the battery continues to be recycled, the cathode undergoes two important structural changes that reduce its performance. The first is the loss of lithium ions, which form voids in the cathode structure. Second, another structural change occurred when the iron and lithium ions in the crystal structure exchanged places. Once that happens, the ions can’t easily switch back, so the lithium ions get stuck and can’t cycle through the battery.

Den behandlingsmetod som föreslås i denna studie fyller först på litiumjoner, så att järnjoner och litiumjoner lätt kan växlas tillbaka till sina ursprungliga positioner och därigenom återställer katodstrukturen. Det andra steget är att använda citronsyra, som fungerar som ett reduktionsmedel för att donera elektroner till ett annat ämne. Det överför elektroner till järnjonerna, vilket minskar deras positiva laddning. Detta minimerar elektronrepulsion och förhindrar järnjonerna från att återgå till sina ursprungliga positioner i kristallstrukturen, samtidigt som litiumjoner släpps tillbaka in i cykeln.

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.

“Nästa utmaning är att ta reda på hur man kan optimera dessa logistiska processer.” “Detta kommer att föra vår återvinningsteknik ett steg närmare industriell tillämpning,” sa Chen.