Переработанные литиевые батареи могут работать лучше, чем новые

Новый метод переработки литиевых батарей поможет удовлетворить постоянно растущий спрос.

Литий-ионные аккумуляторы являются основой практически всех электромобилей, ноутбуков и смартфонов, а также необходимы для аккумулирования возобновляемой энергии в условиях чрезвычайной климатической ситуации. Однако все существующие в мире горнодобывающие предприятия не в состоянии добывать достаточное количество лития и других ключевых минералов для удовлетворения растущего спроса на эти батареи. Создание новых рудников - дорогостоящая и многолетняя работа. Кроме того, добыча полезных ископаемых создает ряд экологических проблем, таких как истощение местных водных ресурсов и загрязнение окружающей среды сточными водами, что вызывает протесты против строительства новых шахт.

Все это означает, что возможность утилизации существующих батарей имеет решающее значение для устойчивых изменений в мировой энергетической системе. Однако переработка литий-ионных аккумуляторов появилась на рынке совсем недавно. Производители аккумуляторов не решаются на это, опасаясь, что качество переработанной продукции может оказаться ниже, чем качество продукции, изготовленной из вновь добытого минерального сырья, что может привести к сокращению срока службы аккумулятора или повреждению его внутренних деталей. Это может привести к серьезным последствиям, особенно в таких областях применения, как электромобили.

Методы утилизации лития из отработанных аккумуляторов

Однако в новом исследовании, опубликованном в журнале Joule, был разработан, по мнению экспертов, более элегантный метод утилизации, позволяющий восстановить катод - тщательно обработанный кристалл, являющийся самым дорогим компонентом литий-ионного аккумулятора и ключевым элементом, обеспечивающим нужное напряжение. Исследователи обнаружили, что батареи, изготовленные с использованием нового метода переработки катода, работают так же хорошо, как и батареи с катодом, изготовленным с нуля. Более того, батареи с переработанным катодом служат дольше и заряжаются быстрее. По словам Канга Сюя, электрохимика из Исследовательской лаборатории армии США, не принимавшего участия в исследовании, подход и демонстрация успешных результатов работы группы "действительно уникальны и впечатляющи".

Ян Ванг, профессор материаловедения Вустерского политехнического института и соавтор нового исследования, начал заниматься вопросами переработки аккумуляторов 11 лет назад. В то время, по его словам, "некоторые люди шутили со мной: "Не хватает батарей для переработки"". Эта шутка не устарела. По оценкам Министерства энергетики, в ближайшее десятилетие рынок аккумуляторов может вырасти в 10 раз. По словам Дейва Хауэлла (Dave Howell), директора Управления автомобильных технологий Министерства энергетики США, "для облегчения роста рынка очень важна переработка литий-ионных батарей - возвращение материала в цепочку поставок". Министерство энергетики профинансировало новые исследования в рамках масштабных усилий по стимулированию широкомасштабных инноваций в области переработки аккумуляторов в США.

Принцип работы литиевой батареи

При подаче энергии в литий-ионный аккумулятор группа литий-ионов переходит из одной кристаллической "клетки" (анод) в другую (катод). Наиболее распространенные в настоящее время методы утилизации таких батарей включают в себя разборку и дробление всей батареи, а затем ее переплавку или растворение в кислоте. В результате образуется черная масса, консистенция которой может варьироваться от пыли до кашицы, из которой можно извлечь химические элементы или простые соединения. Затем эти продукты могут быть подвергнуты такому же промышленному производству, как и новые элементы для получения катодов.

Ванг и его коллеги используют очень похожий процесс, но вместо полного разложения батареи на составные химические элементы они сохраняют часть важнейшего состава старого катода в неизменном виде. После разбора батареи они физически удаляют менее дорогостоящие части (например, электронные схемы и стальной корпус батареи) и перерабатывают их отдельно. Остается в основном материал катода, который растворяют в кислоте и удаляют примеси. Затем в него аккуратно добавляют щепотку свежих катодных элементов, таких как никель и кобальт, чтобы обеспечить правильное соотношение компонентов, что является еще одним отличием от обычных методов переработки. После еще нескольких этапов работы получается эффективно обновленный катодный порошок, состоящий из мельчайших кристаллических частиц, которые можно наклеить на полоску металла и вставить в "новый" аккумулятор.

Поскольку катод изготавливается из точной смеси драгоценных минералов для достижения определенного напряжения батареи, незначительные изменения в его структуре или составе могут нарушить его работу. Поэтому большая часть ценности катодного порошка заключается "в том, как частицы [порошка] были разработаны изначально", - говорит Эмма Кендрик, профессор кафедры энергетических материалов Бирмингемского университета Великобритании, не принимавшая участия в новом исследовании. Эта ценность теряется, если весь аккумулятор просто расплавить или растворить за один раз, как это происходит при современных методах утилизации".

Исследование Ванга по переработке лития

Ванг и его коллеги сравнили частицы переработанного катодного порошка с частицами катодного порошка, полученного промышленным способом (в основном из новых добытых руд). Они обнаружили, что частицы переработанного порошка более пористые, с особенно крупными пустотами в центре каждой из них. Эти свойства позволяют кристаллу катода немного разбухать при попадании в него ионов лития, что не дает ему растрескиваться так же легко, как катодам, созданным с нуля. Такие трещины являются одной из основных причин деградации аккумуляторов с течением времени.

Большее количество пор также означает большую площадь поверхности, на которой могут происходить химические реакции, необходимые для зарядки аккумулятора, поэтому переработанные Вангом аккумуляторы заряжаются быстрее, чем их коммерческие аналоги. В перспективе можно разработать все катоды с такой улучшенной структурой, а не только те, которые изготовлены из переработанного материала, считает Ванг.

Последние результаты показывают, что "катод, который они могут производить, не хуже, а то и лучше, чем коммерческий материал, который мы импортируем", - говорит Линда Гейнс, транспортный аналитик Аргоннской национальной лаборатории и главный научный сотрудник ReCell Center, организации, изучающей и продвигающей переработку аккумуляторов. (Этот импорт осуществляется в основном из Китая, который является мировым лидером по переработке аккумуляторов. Однако это означает, что материалы для переработки приходится перевозить из одной части света в другую, что увеличивает "углеродный след" перерабатываемых батарей и снижает их привлекательность как более экологичного способа. Подход, разработанный группой Ванга, устраняет значительную часть международной торговли и транспортных требований, создавая потенциальный маршрут для других стран, позволяющий укрепить переработку батарей внутри страны. В настоящее время этот процесс расширяется компанией Ascend Elements, бывшей Battery Resourcers, которая является одним из основателей Ванга.