Промойте и повторите: новый простой способ переработки батареек уже здесь

Jul 25, 2023

Литий-ионные аккумуляторы произвели революцию в электронике и позволили ускорить переход к экологически чистой энергии. Эти батареи стали неотъемлемой частью жизни 21 века, но мы рискуем исчерпать их запас до 2050 года. Основные элементы, используемые в каждой батарее – литий, никель и кобальт, а также графит – становятся все более дефицитными и дорогими. а в некоторых оставшихся международных цепочках поставок практически отсутствует надзор за состоянием окружающей среды и соблюдением принципов справедливого труда.

Существует острая необходимость начать повторно использовать материалы, которые мы уже раскопали, и сделать процесс производства аккумуляторов более безопасным и справедливым для всех. Команда ученых из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) изобрела отмеченный наградами новый материал для батарей, который может соответствовать обоим критериям. Их продукт под названием Quick-Release Binder позволяет легко и недорого отделить ценные материалы литий-ионных аккумуляторов от других компонентов и восстановить их для повторного использования в новом аккумуляторе.

«Мы приближаемся к тому, что переработка батарей станет обязательным требованием», — сказал руководитель проекта Гао Лю, старший научный сотрудник отдела энергетических технологий лаборатории Беркли и член Центра хранения энергии лаборатории Беркли. «Если мы не перестанем сжигать их и выбрасывать в мусор, в ближайшие десять лет у нас закончатся ресурсы. В противном случае просто невозможно угнаться за количеством батарей, которое требует рынок. Не хватает ни кобальта, ни никеля – нам приходится перерабатывать». Батарею, изготовленную с использованием быстроразъемного связующего, просто нужно открыть, поместить в щелочную воду комнатной температуры и осторожно встряхнуть. Отделившиеся элементы легко отфильтровываются из воды и высушиваются на воздухе.

Это резко контрастирует с нынешней переработкой литий-ионных аккумуляторов, которая включает в себя сначала измельчение и измельчение аккумуляторов, а затем их сжигание для отделения металлов от других компонентов. Компании по переработке отходов стремятся сделать свои процессы максимально эффективными, но из-за прошлой и нынешней конструкции большинства батарей восстановление элементов по-прежнему является энергоемким, дорогим и приводит к выбросам токсичных химикатов, с которыми необходимо тщательно обращаться.

Члены группы (по часовой стрелке сверху слева): Роберт Костецки, директор отдела хранения и распределения энергии; Гао Лю, главный исследователь лаборатории Лю; Чен Фан, постдокторант-исследователь; Мухаммад Ихсан Уль Хак, научный сотрудник (Фото: Мэрилин Сарджент/Лаборатория Беркли)

Лю и его команда в Центре хранения энергии лаборатории Беркли работали над литий-серными батареями – одной из возможных альтернатив традиционным литий-ионным батареям, которые сейчас разрабатываются – когда они создали быстросъемное связующее. Литий-серные батареи являются популярной идеей в мире исследований и разработок аккумуляторов, поскольку они могут быть изготовлены без редкого кобальта и имеют более высокую теоретическую плотность энергии, чем литий-ионные; но существует множество функциональных проблем, которые необходимо решить, прежде чем батареи можно будет использовать в коммерческих целях. Связующее устройство Quick-Release сделает Li-S батареи легко пригодными для вторичной переработки и, по-видимому, решит одну из основных проблем с производительностью. Это открытие само по себе весьма интересно, но Чен Фанг, научный сотрудник лаборатории Лю, понял, что их новый связующий материал имеет еще больший потенциал: его также можно использовать в современных литий-ионных батареях.

Связующие вещества — это клееподобные вещества, используемые в большинстве типов аккумуляторов, включая литий-ионные и щелочные элементы, которые мы используем в предметах домашнего обихода. Батареи имеют два электрода — положительно заряженный катод и отрицательно заряженный анод — изготовленные из проводящих химикатов, генерирующих электрический ток, и конструкционных материалов, которые удерживают активные ингредиенты на месте для обеспечения стабильной и долговечной работы. Связующие вещества, как следует из названия, связывают эти ингредиенты вместе и помогают сохранить структуру батареи.

Новое быстродействующее связующее изготовлено из двух коммерчески доступных полимеров: полиакриловой кислоты (ПАА) и полиэтиленимина (ПЭИ), которые соединены вместе посредством связи между положительно заряженными атомами азота в ПЭИ и отрицательно заряженными атомами кислорода в ПАА. Когда твердый связующий материал помещается в щелочную воду, содержащую гидроксид натрия (Na+OH–), ион натрия попадает в место связи, разрывая два полимера на части. Отделенные полимеры растворяются в жидкости, освобождая все находящиеся внутри электродные компоненты.