Экологичный растворитель поможет переработать литий-ионные аккумуляторы

Американские инженеры разработали способ регенерации катодного материала литий-ионных аккумуляторов с использованием экологичного и нетоксичного триэтилфосфата, который растворяет связующий материал, прикрепляющий катод к токопроводящей подложке — металлической фольге. В работе, опубликованной в журнале ACS Sustainable Chemistry & Engineering, ученым удалось эффективно восстановить неповрежденный кобальтсодержащий катодный материал и чистую алюминиевую фольгу, которые можно повторно использовать в новых аккумуляторах.

Литий-ионные аккумуляторы сейчас используются повсеместно — на них работают смартфоны, ноутбуки и даже электромобили. Подробно о том, как устроены такие аккумуляторы читайте в нашем материале «Заряженный "Нобель"». Однако запасы материалов для таких батарей на нашей планете ограничены и быстро истощаются. С помощью эффективной переработки использованных аккумуляторов можно регенерировать такие ценные металлы как кобальт, марганец и никель.

Сейчас металлы в основном восстанавливают пирометаллургическим способом: длительным нагревом до температуры 500 градусов Цельсия и выше, которое требует больших затрат энергии. Другой вариант (гидрометаллургический) заключается в использовании сильных кислот (серной, азотной, соляной) в сочетании с восстановителем чаще всего — перекисью водорода. Этот процесс протекает при более низкой температуре, но у него есть другой существенный недостаток — образование большого количества вредных побочных продуктов, среди которых оксиды серы и азота, а также газообразный хлор.

Одна из трудностей переработки заключается в том, что катодный материал и углеродная добавка плотно прилегают к тонкой алюминиевой фольге через связующий полимер — поливинилиденфторид (ПВДФ). Эффективное отделение катодного материала от алюминиевой фольги поможет получать чистые материалы, пригодные для повторного использования. Причем регенерация чистого алюминия очень выгодна экономически. Исследования показали, что использование регенерированного алюминия из старых литий-ионных аккумуляторов электромобилей в новых аккумуляторах сможет снизить общее потребление энергии при производстве электромобилей на 33 процента.

Эффективный метод отделения катодного материала от алюминиевой фольги заключается в растворении связующего их материала — поливинилиденфторида. Предыдущие исследования уже демонстрировали, что такие растворители как N-метил-2-пирролидон и N, N-диметилформамид хорошо подходят для растворения ПВДФ. Однако эти растворители неэкологичны и токсичны для рабочих. 

Теперь инженеры из Окриджской национальной лаборатории под руководством Яоцай Бай (Yaocai Bai) продемонстрировали эффективный способ отделения катодного материала (содержащего никель, кобальт и марганец) от алюминиевой фольги при помощи более экологичного и менее токсичного растворителя — триэтилфосфата.  Причем этот растворитель может использоваться многократно.

Перед регенерацией аккумуляторы полностью разрядили, вскрыли и разрезали катод на небольшие кусочки, смыв с поверхности электролит. Далее эти кусочки поместили в ультразвуковую ванну (при 100 градусах по Цельсию) с триэтилфосфатом в соотношении катодного материала к растворителю 1:10 по массе. При ультразвуковой обработке поливинилиденфторид растворялся в триэтилфосфате, высвобождая частица графита и катодного материала. Затем катодные микрочастицы отделили от алюминиевой фольги, полученные материалы промыли и высушили. Коррозия на алюминиевой фольге отсутствовала.

Содержание остаточного количества связующего полимера и углеродных добавок в восстановленном катодном материале ученые выяснили с помощью термогравиметрического анализа и инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье. Количество ПВДФ в катодном материале снизилось до 0,41 процент по массе с 5 процентов, а содержание углеродных частиц — с 5 до 1,79 процента. 

Структуру восстановленных материалов охарактеризовали с помощью сканирующей электронной микроскопии. Регенерированные микрочастицы были практически идентичны по форме и размеру микрочастицам из исходного катодного материала. Это важно для их последующего использования в аккумуляторах. 

Из восстановленного материала изготовили катоды для литий-ионных аккумуляторов. Восстановленный катод продемонстрировал 95,5 процента базовой емкости. Одна из причин, по которой емкость уменьшилась, заключается в том, что восстановленный катод содержал небольшое количество поливинилиденфторида и углеродных частиц. По словам ученых, избавится от углеродных остатков можно при помощи прокаливания на воздухе или флотации.

Ученые по всему миру ищут дешевые и экологичные способы выделения металлов из литий-ионных аккумуляторов. В прошлом году химики из Франции и Сингапура предложили добывать ценные металлы из литий-ионных аккумуляторов с помощью лимонной кислоты и восстановителя из экстракта апельсиновой кожуры.

Виктория Барановская