Изследователи от университета Корнел разработиха технология, която възстановява до 95% от първоначалния капацитет на износени литиево-йонни батерии, без те да бъдат раздробявани и преработвани по традиционния начин. Ако методът намери индустриално приложение, той може да намали разходите за рециклиране с 56% и значително да съкрати потреблението на енергия и ресурси.
Стандартното рециклиране на литиево-йонни батерии е сложен и енергоемък процес. След демонтаж батериите се раздробяват механично, а ценните суровини като литий, никел, кобалт, манган, мед и алуминий се извличат чрез пирометалургични или хидрометалургични технологии. Получените материали впоследствие служат за производството на нови електроди.
Екипът на университета Корнел предлага различен подход. Вместо електродите да бъдат унищожавани, те се запазват непокътнати и се възстановяват директно чрез специална електрохимична обработка. Така се избягва необходимостта от повторно извличане и преработка на ценните материали.
Какво причинява стареенето на батериите
Една от основните причини за загубата на капацитет при литиево-йонните батерии е постепенното удебеляване на т.нар. междинен слой между електролита и електрода. Този тънък слой е необходим за нормалната работа на батерията.
След стотици или хиляди цикли на зареждане обаче слоят става все по-дебел, увеличава вътрешното съпротивление и намалява капацитета. В много случаи електродите остават конструктивно здрави, но батерията вече не отговаря на изискванията за използване в електромобили или стационарни системи за съхранение на електроенергия.
Именно тази особеност прави традиционното рециклиране неособено ефективно, тъй като напълно запазени електроди се унищожават само за да бъдат произведени нови.
Електрохимична баня разтваря проблемния слой
Новият процес, наречен Директна регенерация електрод-електрод, по същество запазва електродите цели. След разглобяване на батерията те се поставят в електрохимичен разтвор с 1,3-диметил-2-имидазолидинон.
Разтворът премахва удебеления междинен слой, без да уврежда самия електрод. След обработката остава тънък слой от литиев флуорид, който стабилизира повърхността и забавя повторното натрупване на нови отлагания. Това позволява възстановените батерии не само да достигнат около 95% от първоначалния си капацитет, но и да демонстрират по-добра устойчивост при последващи цикли на зареждане.
„Поправяме електродите такива, каквито са, без да ги раздробяваме или смиламе, след което ги поставяме в нова батерия. Именно разтварянето на слоя позволява възстановяването на капацитета до 95%“, обяснява ръководителят на проекта проф. Вибха Калра от катедрата по химично инженерство на университета Корнел.
По-ниски разходи и по-малко замърсяване
Изследователите са оценили икономическия и екологичния потенциал на технологията с помощта на софтуер, разработен от ReCell Center към Argonne National Laboratory. Анализът показва, че регерирането по новия метод може да намали разходите за производство на рециклирани батерийни клетки с около 56%.
Освен това технологията ограничава емисиите на вредни вещества във въздуха и намалява потреблението на вода спрямо конвенционалните методи за рециклиране.
Допълнително предимство е отпадането на най-ресурсоемките етапи по извличане и повторна обработка на суровините, което съкращава както времето за производство, така и енергийните разходи.
Трети живот
Екипът не се е ограничил до еднократно възстановяване. След като регенерираната батерия отново загуби част от капацитета си поради същия проблем, учените прилагат процедурата по регенериране повторно.
След втория цикъл на възстановяване батерията запазва приблизително 90% от първоначалния си капацитет. Това подсказва, че технологията би могла да осигури многократно удължаване на експлоатационния живот на литиево-йонните батерии.
Следващата цел – още по-силно деградирали батерии
Засега технологията е приложима основно за батерии със степен на запазеност между 70 и 80%, което е типично за акумулаторите, демонтирани от електромобили.
Следващата цел на изследователите е да разширят приложението ѝ към други механизми на деградация, включително загубата на литий. Ако това бъде постигнато, методът би могъл да намери широко приложение не само при батериите за електромобили, но и при индустриални системи за съхранение на енергия и други големи литиево-йонни акумулаторни системи.
