Baterie litowe z recyklingu mogą działać lepiej niż nowe

Nowa metoda recyklingu baterii litowych pomogłaby zaspokoić stale rosnący popyt.

Baterie litowo-jonowe są podstawą prawie wszystkich pojazdów elektrycznych, laptopów i smartfonów i są niezbędne do przechowywania energii odnawialnej w obliczu zagrożenia klimatycznego. Jednak wszystkie obecne operacje wydobywcze na świecie nie są w stanie wydobyć wystarczającej ilości litu i innych kluczowych minerałów, aby zaspokoić rosnące zapotrzebowanie na te baterie. Tworzenie nowych kopalni to kosztowny i wieloletni wysiłek. Ponadto wydobycie stwarza szereg problemów środowiskowych - takich jak wyczerpywanie się lokalnych zasobów wodnych i zanieczyszczenie otaczającego regionu odpadami spływającymi - co doprowadziło do protestów przeciwko nowym kopalniom.

Wszystko to oznacza, że możliwość recyklingu istniejących baterii ma kluczowe znaczenie dla zrównoważonych zmian w globalnym systemie energetycznym. Jednak recykling baterii litowo-jonowych dopiero niedawno pojawił się na rynku. Producenci baterii wahali się z obawy, że produkty z recyklingu mogą być niższej jakości niż te wykonane z nowo wydobytych minerałów, potencjalnie powodując krótszą żywotność baterii lub uszkodzenie jej wewnętrznych części. Konsekwencje mogłyby być poważne, zwłaszcza w przypadku zastosowań takich jak pojazdy elektryczne.

Metody recyklingu litu ze zużytych baterii

Nowe badania opublikowane w czasopiśmie Joule pozwoliły jednak opracować coś, co eksperci określają jako bardziej elegancką metodę recyklingu, która odnawia katodę, starannie obrobiony kryształ, który jest najdroższym elementem baterii litowo-jonowej i kluczem do zapewnienia prawidłowego napięcia. Naukowcy odkryli, że baterie wykonane przy użyciu nowej techniki recyklingu katody działają równie dobrze, jak te z katodą wykonaną od podstaw. W rzeczywistości baterie z katodą pochodzącą z recyklingu działają dłużej i ładują się szybciej. Podejście zespołu i demonstracja sukcesu są "naprawdę wyjątkowe i imponujące" - mówi Kang Xu, elektrochemik z Laboratorium Badawczego Armii Stanów Zjednoczonych, który nie był zaangażowany w badanie.

Yan Wang, profesor materiałoznawstwa w Worcester Polytechnic Institute i współautor nowego badania, rozpoczął badania nad recyklingiem baterii 11 lat temu. W tamtym czasie, jak mówi, "niektórzy żartowali ze mną: 'Nie ma wystarczającej ilości baterii do recyklingu'". Ten żart nie starzeje się dobrze. Departament Energii szacuje, że rynek baterii może wzrosnąć 10-krotnie w ciągu następnej dekady. Aby złagodzić rosnące bóle rynku, "recykling akumulatorów litowo-jonowych - przywrócenie materiału do łańcucha dostaw - ma kluczowe znaczenie" - mówi Dave Howell, dyrektor Biura Technologii Pojazdów DOE. DOE sfinansowało nowe badania w ramach swoich ogromnych wysiłków na rzecz stymulowania innowacji na dużą skalę w zakresie recyklingu baterii w USA.

Jak działa bateria litowa

Gdy bateria litowo-jonowa dostarcza energię, grupa litowo-jonowa przemieszcza się z jednej krystalicznej "klatki" (anody) do drugiej (katody). Najpopularniejsze obecnie metody recyklingu tych baterii obejmują demontaż i kruszenie całej baterii, a następnie jej stopienie lub rozpuszczenie w kwasie. Rezultatem jest czarna masa - o konsystencji od pyłu do papki - z której można odzyskać pierwiastki chemiczne lub proste związki. Odzyskane produkty można następnie poddać temu samemu komercyjnemu procesowi produkcji, który stosuje się do nowo wydobytych pierwiastków w celu uzyskania katod.

Wang i jego koledzy stosują bardzo podobny proces, ale zamiast całkowicie rozkładać baterię na składowe pierwiastki chemiczne, ich technika zachowuje część kluczowego składu starej katody w stanie nienaruszonym. Po rozbiciu baterii, fizycznie usuwają mniej kosztowne części (takie jak obwody elektroniczne i stalowa obudowa baterii) i poddają je osobnemu recyklingowi. Pozostaje głównie materiał katody, który jest rozpuszczany w kwasie, a następnie usuwane są z niego zanieczyszczenia. Następnie ostrożnie dodaje się szczyptę świeżych pierwiastków katodowych, takich jak nikiel i kobalt, aby upewnić się, że proporcje składników są prawidłowe - to kolejna różnica w porównaniu z powszechnymi metodami recyklingu. Po kilku kolejnych krokach otrzymujemy skutecznie odświeżony proszek katodowy, składający się z drobnych krystalicznych cząstek, które można przykleić do paska metalu i włożyć do "nowej" baterii.

Ponieważ katoda jest wykonana z precyzyjnej mieszanki cennych minerałów, aby osiągnąć określone napięcie baterii, niewielkie zmiany w jej strukturze lub składzie mogą zagrozić jej wydajności. Dlatego też duża część wartości proszku katodowego leży "w sposobie, w jaki cząsteczki [proszku] zostały zaprojektowane w pierwszej kolejności", mówi Emma Kendrick, profesor materiałów energetycznych na brytyjskim Uniwersytecie w Birmingham, która nie była zaangażowana w nowe badanie. Wartość ta zostaje utracona, jeśli cała bateria zostanie po prostu stopiona lub rozpuszczona za jednym razem, jak ma to miejsce w przypadku obecnych metod recyklingu.

Badania Wanga nad recyklingiem litu

Wang i jego koledzy porównali cząstki proszku katodowego pochodzącego z recyklingu z cząstkami proszku katodowego produkowanego komercyjnie (głównie z nowo wydobytych rud). Stwierdzili oni, że cząstki proszku z recyklingu były bardziej porowate, ze szczególnie dużymi pustymi przestrzeniami w środku każdej z nich. Te cechy pozwalają kryształowi katody nieznacznie pęcznieć, gdy przenikają do niego jony litu, a ta swoboda zapobiega pękaniu kryształu tak łatwo, jak w przypadku katod zbudowanych od podstaw. Takie pęknięcia są jedną z głównych przyczyn degradacji baterii w czasie.

Więcej porów oznacza również więcej odsłoniętej powierzchni, na której mogą zachodzić reakcje chemiczne potrzebne do naładowania baterii - dlatego też baterie Wanga z recyklingu ładują się szybciej niż ich komercyjnie produkowane odpowiedniki. Przyszłą ambicją może być zaprojektowanie wszystkich katod o tej doskonałej strukturze, a nie tylko tych wykonanych z materiałów pochodzących z recyklingu, mówi Wang.

Najnowsze odkrycia pokazują, że "katoda, którą mogą wyprodukować, jest tak samo dobra, a nawet lepsza niż materiał komercyjny, który importowaliśmy" - mówi Linda Gaines, analityk transportu w Argonne National Laboratory i główny naukowiec w ReCell Center, organizacji zajmującej się badaniem i promowaniem recyklingu baterii. (Import ten pochodzi głównie z Chin, które są światowym liderem w recyklingu baterii). Oznacza to jednak, że materiały muszą być przenoszone z jednej części świata do drugiej w celu poddania ich recyklingowi, co zwiększa ślad węglowy baterii pochodzących z recyklingu i zmniejsza ich atrakcyjność jako bardziej zrównoważonej drogi. Podejście opracowane przez zespół Wanga eliminuje znaczną część międzynarodowego handlu i wymagań transportowych, tworząc potencjalną drogę dla innych krajów do wzmocnienia recyklingu baterii w kraju. Proces ten jest obecnie rozwijany przez Ascend Elements, dawniej Battery Resourcers, firmę recyklingową, której Wang jest współzałożycielem.