Джордан Уилкерсон 1 февраля 2022 года
Новый метод утилизации таких батарей может помочь удовлетворить стремительно растущий спрос.
Модули литий-ионных аккумуляторов для электромобилей находятся на производственной линии на заводе по производству автомобилей в Дингольфинге, Германия.
Литий-ионные аккумуляторы лежат в основе почти каждого электромобиля, ноутбука и смартфона, и они необходимы для хранения возобновляемой энергии в условиях чрезвычайной климатической ситуации. Но все текущие горнодобывающие предприятия в мире не могут добывать достаточное количество лития и других ключевых минералов для удовлетворения стремительно растущего спроса на эти батареи. Создание новых шахт-это дорогостоящая, многолетняя работа. А добыча полезных ископаемых также создает множество экологических проблем—таких как истощение местных водных ресурсов и загрязнение близлежащего региона отходами, которые привели к протестам против новых шахт.
Все это означает, что способность перерабатывать существующие батареи имеет решающее значение для устойчивого изменения глобальной энергетической системы. Но переработка литий-ионных аккумуляторов только недавно получила коммерческое распространение. Производители аккумуляторов колебались из-за опасений, что переработанные продукты могут быть более низкого качества, чем продукты, изготовленные из недавно добытых полезных ископаемых, что потенциально может привести к сокращению срока службы батареи или повреждению внутренних частей батареи. Последствия могут быть серьезными, особенно в таких приложениях, как электромобили.
Но новое исследование, опубликованное в журнале Joule, наткнулось на то, что эксперты называют более элегантным методом переработки, который восстанавливает катод—тщательно обработанный кристалл, который является самым дорогим компонентом литий-ионного аккумулятора и ключом к подаче надлежащего напряжения. Исследователи обнаружили, что батареи, которые они сделали с помощью своей новой технологии переработки катода, работают так же хорошо как у тех, у кого катод сделан с нуля. На самом деле батареи с переработанным катодом служат дольше и заряжаются быстрее. Подход команды и успешная демонстрация “очень уникальны и очень впечатляют", - говорит Кан Сюй, электрохимик из Исследовательской лаборатории армии США, который не принимал участия в исследовании.
ЭТО БОЛЬШЕ НЕ ШУТКА
Янь Ван, профессор материаловедения в Вустерском политехническом институте и соавтор нового исследования, начал изучать переработку аккумуляторов 11 лет назад. В то время он говорит: “Некоторые люди шутили со мной: "Вам не хватает батареек для переработки".” Эта шутка плохо стареет. По оценкам Министерства энергетики, рынок аккумуляторов может вырасти в 10 раз в течение следующего десятилетия. Чтобы облегчить проблемы роста рынка, “переработка литий-ионных аккумуляторов—возвращение этого материала в цепочку поставок—имеет решающее значение”, - говорит Дейв Хауэлл, директор Отдела транспортных технологий Министерства энергетики США. Министерство энергетики финансировало новое исследование в рамках своих масштабных усилий по стимулированию крупномасштабных инноваций в области утилизации батарей в США.
Когда литий-ионная батарея обеспечивает питание, скопление ионов лития перемещается из одной кристаллической “клетки” (анод) в другую (катод). Наиболее распространенные методы, используемые в настоящее время для утилизации этих батарей, включают демонтаж и измельчение всей батареи, а затем либо ее расплавление, либо растворение в кислоте. В результате получается черная масса—с текстурой, которая может варьироваться от порошка до слизи,—из которой можно извлечь химические элементы или простые соединения. Эти извлеченные продукты затем могут пройти тот же коммерческий производственный процесс, что и недавно добытые элементы для изготовления
Поперечные сечения частиц переработанного катода (А) и частиц, изготовленных из новых материалов (Б), снятых с помощью рентгеновского микроскопа. Шкала шкалы составляет 10 микрометров в (А) и 5 микрометров в (Б). Кредит: “Переработанные катодные материалы обеспечивают превосходную производительность литий-ионных аккумуляторов”.
Ван и его коллеги используют очень похожий процесс, но вместо того, чтобы полностью разбивать батарею на составляющие ее химические элементы, их техника сохраняет часть важнейшего состава старого катода нетронутым. После того, как они разорвут батарею, они физически удаляют менее дорогие детали (такие как электронные схемы и стальной корпус батареи) и перерабатывают их отдельно. То, что осталось, - это в основном материал катода; они растворяют его в кислоте, а затем удаляют примеси. Затем они осторожно добавляют немного свежих элементов, составляющих катод, таких как никель и кобальт, чтобы обеспечить правильное соотношение ингредиентов—еще одно отличие от обычных методов переработки. После еще нескольких шагов в результате получается эффективно обновленный катодный порошок, состоящий из крошечных кристаллических частиц, которые можно наклеить на металлическую полоску и поместить в “новую” батарею.
Поскольку катод изготовлен из точной смеси драгоценных минералов для достижения определенного напряжения батареи, незначительные изменения в его структуре или составе могут снизить его производительность. Таким образом, большая часть ценности катодного порошка заключается “в том, как вы в первую очередь спроектировали частицы [порошка]”, - говорит Эмма Кендрик, профессор энергетических материалов в Бирмингемском университете Англии, которая не участвовала в новом исследовании. Это значение теряется, если вся батарея просто расплавляется или растворяется одним махом, как в современных методах утилизации.
БОЛЬШЕ ПОР, БЫСТРЕЕ ЗАРЯЖАЕТСЯ
Ван и его коллеги сравнили частицы в их переработанном катодном порошке с частицами в промышленно изготовленном катодном порошке (в основном изготовленном из недавно добытых минералов). Они обнаружили, что переработанные частицы порошка были более пористыми, с особенно большими пустотами в центре каждой из них. Эти характеристики обеспечивают пространство для небольшого разбухания катодного кристалла по мере того, как в него втискиваются ионы лития, и это пространство для маневра предохраняет кристалл от растрескивания так же легко, как катоды, построенные с нуля. Такое растрескивание является основной причиной разложения батареи с течением времени.
Большее количество пор также означает большую площадь открытой поверхности, где могут происходить химические реакции, необходимые для зарядки аккумулятора,—и именно поэтому переработанные аккумуляторы Wang заряжаются быстрее, чем их коммерчески изготовленные аналоги. По словам Ванга, в будущем можно было бы стремиться к тому, чтобы все катоды имели такую превосходную структуру, а не только те, которые сделаны из переработанного материала.
Последние результаты показывают, что “катод, который они могут изготовить, не уступает—или даже лучше—коммерческому материалу, который мы импортируем”, - говорит Линда Гейнс, аналитик по транспорту в Аргоннской национальной лаборатории и главный научный сотрудник Центра ReCell, организации, которая изучает и продвигает переработку аккумуляторов. (Гейнс не участвовал в новом исследовании.) Такой импорт в основном поступает из Китая, который лидирует в мире по переработке аккумуляторов. Но эта ситуация означает, что материалы должны быть перемещены по всему миру для переработки, что увеличивает углеродный след переработанных батарей и снижает их привлекательность в качестве более устойчивого пути. Подход, разработанный командой Вана, устраняет значительную часть требований к международной торговле и транспортировке, прокладывая потенциальный путь для других стран по расширению внутренней переработки аккумуляторов. В настоящее время этот процесс расширяется за счет Ascend Elements, бывшая компания по переработке аккумуляторных батарей, соучредителем которой был Ван.