Ličio jonų baterijų atgaivinimas ir perdirbimo taupymas

Įsivaizduokite nusidėvėjusį telefoną arba elektrinio automobilio bateriją, panardintą į atgaivinantį vonelę. Tai panašu į tai, ką sukūrė Kornelio universiteto mokslininkai: elektrocheminę vonią, galinčią atgaivinti išeikvotus ličio jonų elektrodus ir atkurti maždaug 95 procentus jų pradinės talpos. Rezultatas įspūdingas, nes baterija traktuojama kaip taisytinas įrenginys, o ne vienkartinės atliekos.

Švelnus cheminis valymas pavargusiems elektrodams

Sveikos ličio jonų celės viduje ant elektrodų paviršių susiformuoja plonas apsauginis sluoksnis; elektrochemikai jį vadina kietuoju elektrolyto tarpinio sluoksnio sluoksniu (SEI). Iš pradžių jis naudingas. Tačiau, kai jo per daug, tas sluoksnis tampa problemų šaltiniu: jis storėja su kiekvienu įkrovimo ciklu, padidina vidinį pasipriešinimą ir „suvalgo" naudingą talpą. Tradiciniai perdirbimo metodai sprendžia šią problemą susmulkindami elementus, o susidariusį miltelius degindami arba chemiškai apdorodami, kad išgautų metalus. Tokie keliai atgauna žaliavas, bet yra energijai imlūs, reikalauja daug vandens ir yra brangūs.

Kornelio komanda pasirinko kitokį požiūrį. Vietoj to, kad bateriją sutraiškyti, jie ją atidaro ir panardina nepažeistus elektrodus į specialiai parinktą elektrocheminį tirpalą. Skystis ištirpdo perteklinį SEI, neardydamas elektrodų pagrindinės struktūros. Šis metodas, vadinamas tiesiogine elektrodo į elektrodą regeneracija, atstato elektrodų paviršius beveik iki naujų sąlygų ir palieka ploną ličio fluoro pasyvacinį sluoksnį, kuris padeda sulėtinti storų nuosėdų pakartotinį susidarymą.

Taisymas vietoje perdirbimo. Mažiau karščio, mažiau smulkinimo ir žymiai mažiau pramoninių žingsnių. Pagal studiją, paskelbtą žurnale Energy and Environmental Science, šis procesas sumažina perdirbtų elementų gamybos sąnaudas maždaug 56 procentais, palyginti su įprastais perdirbimo srautais. Taip pat mažėja oro teršalų emisijos ir vandens suvartojimas.

Ar atgaivinta baterija ištvers ilgalaikį naudojimą? Komanda tai išbandė. Po to, kai elementai sugrįžo į eksploataciją, jie pastebėjo, kad SEI kaupimasis palaipsniui atsinaujina. Tuomet elektrocheminį gydymą atliko dar kartą. Rezultatas buvo skatinantis: net po dviejų pilnų regeneracijos ciklų elementai išlaikė arti 90 procentų savo pradinės talpos. Praktika rodo, kad baterija, kuri atrodė tinkama tik utilizacijai, gali gauti antrą ir kartais trečią gyvenimą.

"Mes galime taisyti elektrodus jų nesmulkinę, taip sumažindami ir išlaidas, ir žalą aplinkai," reziumuoja autoriai. Ši frazė apibendrina galimą posūkį: nuo išgaunamojo perdirbimo prie komponentų lygmens atnaujinimo.

Ką tai reiškia baterijoms ir planetai

Plačiai pritaikius, tai galėtų pakeisti tiekimo grandines. Reikėtų mažiau naujų katodų žaliavų kasybai. Gamintojai ir automobilių parkų valdytojai galėtų pratęsti akumuliatorių blokų eksploatavimo laiką ir sumažinti nuosavybės bendras sąnaudas elektriniams automobiliams. Tačiau kliūčių vis dar yra. Metodas reikalauja saugaus išardymo, elektrodų tvarkymo infrastruktūros ir cheminių medžiagų valdymo sistemų. Mastelio didinimas reikalautų automatizuoto elementų atidarymo ir standartizuotų procedūrų, kad technikai galėtų tvarkyti elektrodų surinkinius perdirbimo centruose ar atnaujinimo hubuose.

Techniniu požiūriu šis metodas nėra visagalis sprendimas. Jis sprendžia talpos praradimą, susijusį su SEI augimu, tačiau kiti degradacijos mechanizmai, pavyzdžiui, mechaninės įtrūkimai ar aktyvios medžiagos praradimas, vis tiek gali reikalauti tradicinio medžiagų atkūrimo. Vis dėlto patikimo taisymo žingsnio pridėjimas prieš destrukcinį perdirbimą sumažintų atliekas ir sulėtintų paklausą naujoms žaliavoms.

Išvada

Kornelio elektrocheminė „vonelė" peržiūri, kaip galime vertinti galutinio gyvavimo baterijas: ne kaip sąvartinę žaliavą, o kaip turtą, kurį galima atnaujinti. Kai tyrėjai metodą pritaikys didesniu mastu ir pramonė prisitaikys, šis taisymo pirmumo požiūris galėtų sumažinti kaštus, sumažinti emisijas ir pratęsti ličio jonų technologijos naudingą eksploatavimo laiką.