Может ли измельчение литиевых батарей помочь в их переработке?

Исследователи используют «механохимию» для извлечения металла из батарей в небольших масштабах.

Измельчение старых батарей может привести к низкоэнергетическому способу переработки лития и других металлов, используемых в них.

Литий-ионные аккумуляторы есть во всех наших личных технологиях, таких как телефоны, ноутбуки и беспроводные наушники, и они питают электромобили. Без них наша жизнь выглядела бы совсем иначе.

В настоящее время литий в перезаряжаемых батареях перерабатывается путем нагревания до высоких температур или обработки концентрированными кислотами и органическими растворителями. Оценки того, сколько лития перерабатывается, различаются, но расчеты консультанта по литиевым батареям Ханса Эрика Мелина показывают, что, возможно, восстанавливается 15% металла в батареях.

Александр Долотко, материаловед из Технологического института Карлсруэ, Германия, и его коллеги использовали механохимию — инициирование химической реакции с помощью механической силы при измельчении — для извлечения лития из литий-ионных аккумуляторов.

Такие батареи содержат соединения лития и других металлов, таких как кобальт или никель. Хотя запасы этих металлов не иссякают критически, их переработка становится все более важной, поскольку устройства с батарейным питанием становятся все более распространенными в рамках перехода от энергии, получаемой из ископаемого топлива. Европейский Союз поставил перед собой цель к 2031 году восстановить 80% лития для всех аккумуляторов.

Команда Долотко с переменным успехом разработала два метода извлечения.

Метод соединения

Сначала они взяли материал катода из литий-кобальтовой оксидной батареи и соединили его с таким же количеством алюминиевой фольги. Реальные батареи содержат алюминий, который они используют в качестве «токосъемника», позволяющего электронам выходить из батареи. Исследователи смешали соединения с помощью мельницы, называемой шаровой мельницей. Через 3 часа алюминий прореагировал с катодным материалом и образовал смесь нерастворимых оксидов алюминия, а также металлического кобальта и водорастворимых оксидов лития.

Метод разделения

Метод разделения, известный как выщелачивание на водной основе, и дальнейшая очистка позволили получить переработанное соединение лития: карбонат лития, который можно использовать для производства большего количества батарей.

Но эти реакции восстанавливали только 30% металла. Где-то произошла потеря лития, — говорит Долотко. Итак, команда Долотко подкорректировала свой эксперимент. Во втором варианте ступеней было меньше — смесь, выходящую из шаровой мельницы, нагревали водой. Это предотвратило образование нерастворимых оксидов лития-алюминия, которые блокируют литий.

Команда протестировала оба процесса с различными катодными материалами, используемыми в батареях, а также со смесью катодов. Усовершенствованный процесс извлекал 75% лития из смеси катодных материалов.

Механохимия обычно не используется в коммерческих химических процессах, и то, как именно механическая сила инициирует химические реакции, до конца не изучено, говорит Долотко. Трудно сказать, как это происходит, — говорит он. Он предполагает, что, возможно, температура повышается в определенных точках процесса или при трении образуются промежуточные продукты. Но измельчение действительно побудило алюминий действовать как восстановитель, как он и ожидал.

Этот процесс механохимической переработки представляет собой демонстрацию в масштабе небольшой лаборатории и, как таковой, является подтверждением принципа, а не революционной технологией, говорит Мелин, директор лондонской консалтинговой компании Circular Energy Storage, специализирующейся на литии. Он отмечает, что утилизация аккумуляторов сложнее, чем просто разработка новой технологии, и в такой же степени связана с экономикой сырья и внедрением технологий, в которых используются аккумуляторы, таких как электромобили.

Мы находимся в ситуации, когда сегодня мы действительно не знаем, откуда будет поступать литий, который нам понадобится в 2030 году, — говорит Мелин.

Долотко говорит, что есть возможности усовершенствовать этот процесс, и в то же время он работает над извлечением других металлов из аккумуляторов, включая кобальт и никель.