Исследователи подробно рассказывают о своей работе в статье, опубликованной 12 ноября в журнале Joule.
Этот процесс особенно хорошо работает на катодах из фосфата лития-железа, или LFP.
Батареи, изготовленные с катодами LFP, менее дороги, чем другие литий-ионные батареи, потому что в них не используются дорогие металлы, такие как кобальт или никель. Батареи LFP также имеют более длительный срок службы и более безопасны. Они широко используются в электроинструментах, электрических автобусах и энергосетях.
Они также являются предпочтительным выбором для Tesla Model 3.
«Учитывая эти преимущества, батареи LFP будут иметь конкурентное преимущество перед другими литий-ионными батареями на рынке», – сказал Чжэн Чен, профессор наноинженерии в Калифорнийском университете в Сан-Диего.
Эта проблема? "Перерабатывать их нерентабельно", – сказал Чен. «Та же дилемма с пластмассами – материалы дешевые, но методы их восстановления – нетрудоспособны."
Новый процесс переработки, разработанный Ченом и его командой, может снизить эти затраты. Он работает при низких температурах (от 60 до 80 C) и давлении окружающей среды, что делает его менее энергоемким, чем другие методы.
Кроме того, используемые химические вещества – соль лития, азот, вода и лимонная кислота – недороги и безвредны.
«Весь процесс регенерации проходит в очень безопасных условиях, поэтому нам не нужны специальные меры безопасности или специальное оборудование.
Вот почему мы можем сделать это настолько дешевым для утилизации батарей ", – сказал первый автор Панпан Сюй, научный сотрудник лаборатории Чена.
Сначала исследователи задействовали коммерческие LFP-ячейки до тех пор, пока они не потеряли половину своей емкости хранения энергии. Они разобрали элементы, собрали катодные порошки и погрузили их в раствор, содержащий соль лития и лимонную кислоту.
Затем промывали раствор водой, сушили порошки и нагревали.
Исследователи сделали новые катоды из порошков и протестировали их как в монетных ячейках, так и в мешочных ячейках. Их электрохимические характеристики, химический состав и структура были полностью восстановлены до исходного состояния.
Во время цикла батареи катод претерпевает два основных структурных изменения, которые приводят к снижению его характеристик. Во-первых, это потеря ионов лития, в результате чего в структуре катода образуются пустые участки, называемые вакансиями. Другой возникает, когда ионы железа и лития меняют точки в кристаллической структуре. Когда это происходит, они не могут легко переключиться обратно, поэтому ионы лития захватываются и больше не могут циклически проходить через батарею.
Процесс восстанавливает структуру катода, пополняя запасы ионов лития и позволяя ионам железа и лития легко вернуться в свои исходные пятна. Последнее достигается с помощью лимонной кислоты, которая действует как восстанавливающий агент – вещество, которое отдает электрон другому веществу. Лимонная кислота передает электроны ионам железа, делая их менее заряженными. Это сводит к минимуму силы электронного отталкивания, которые препятствуют перемещению ионов железа обратно в их исходные места в кристаллической структуре, а также высвобождает ионы лития обратно в циркуляцию.
Хотя общие затраты на энергию этого процесса переработки ниже, исследователи говорят, что необходимы дальнейшие исследования логистики сбора, транспортировки и обращения с большими партиями батарей.
«Следующая задача – выяснить, как оптимизировать эту логистику», – сказал Чен. "И это приблизит этот процесс переработки к промышленному внедрению."