Zużyte baterie odzyskały do 95 proc. pojemności. Naukowcy znaleźli sposób na ich odnowienie

Zużyte akumulatory samochodów elektrycznych nie zawsze trzeba od razu rozdrabniać i przetapiać. Naukowcy z Cornell University opracowali metodę pozwalającą odnowić zachowane elektrody i ponownie wykorzystać je do budowy ogniw. W doświadczeniach baterie odzyskiwały do 95 proc. swojej początkowej pojemności.

Technologia otrzymała nazwę DEER, pochodzącą od angielskiego określenia Direct Electrode-to-Electrode Regeneration. Jej istotą jest regeneracja elektrod bez zamieniania ich w mieszaninę metali i innych rozdrobnionych materiałów. Wyniki badań opublikowano w recenzowanym czasopiśmie naukowym „Energy & Environmental Science”.

Zamiast rozdrabniać – oczyścić i wykorzystać ponownie

W tradycyjnym recyklingu baterie są najczęściej poddawane działaniu bardzo wysokiej temperatury albo rozdrabniane do postaci tak zwanej czarnej masy. Następnie przy użyciu procesów chemicznych odzyskuje się z niej między innymi lit, nikiel, kobalt, mangan, miedź i aluminium.

Pozwala to uratować cenne surowce, ale jednocześnie niszczy elektrody, które niekiedy wciąż zachowują prawidłową strukturę. Odzyskane materiały trzeba później ponownie oczyścić, przetworzyć i wykorzystać do wytworzenia nowych elementów baterii.

Metoda opracowana na Cornell University skraca ten proces. Zużyte ogniwo jest otwierane, a elektrody wykonane z materiału NMC oraz grafitu wyjmuje się w całości, razem z kolektorem prądowym. Następnie trafiają one do osobnego układu elektrochemicznego zawierającego roztwór 1,3-dimetylo-2-imidazolidynonu, w skrócie DMI.

– Naprawiamy je w istniejącej postaci, bez rozdrabniania na proszek, a następnie umieszczamy w nowej baterii – wyjaśnia prof. Vibha Kalra, która kierowała projektem.

Specjalna kąpiel usuwa barierę ograniczającą pojemność

Podczas wielokrotnego ładowania i rozładowywania na powierzchni elektrod powstaje warstwa międzyfazowa oddzielająca elektrodę od elektrolitu. Jej cienka postać jest potrzebna do prawidłowego działania ogniwa. Z czasem warstwa staje się jednak coraz grubsza, zwiększa opór i utrudnia przemieszczanie się jonów litu. W rezultacie bateria stopniowo traci pojemność.

Roztwór zastosowany w procesie DEER rozpuszcza nieaktywne składniki tej nagromadzonej warstwy, nie uszkadzając przy tym struktury elektrod. Naukowcy obserwowali zachodzące zmiany za pomocą spektroskopii Ramana, podczerwieni i magnetycznego rezonansu jądrowego.

W ogniwach z odnowionymi elektrodami udało się odzyskać do 95 proc. pierwotnej pojemności. Po przeprowadzeniu drugiej regeneracji bateria rozpoczynająca już swój trzeci okres użytkowania zachowała około 90 proc. pojemności początkowej.

Odnowione ogniwa przez około 800 cykli traciły pojemność wolniej niż zużyte elektrody, które jedynie umieszczono w świeżym elektrolicie. Oznacza to, że zabieg nie zapewniał wyłącznie krótkotrwałej poprawy, lecz rzeczywiście usuwał jedną z przyczyn pogarszania się parametrów.

Badacze sprawdzili także elektrody wyjęte z komercyjnych ogniw typu pouch o pojemności 3 Ah, które wcześniej przeszły 2700 cykli pracy. Po regeneracji i zbudowaniu nowych ogniw odzyskano około 90,3 proc. początkowej pojemności. Nie był to jednak jeszcze test całego akumulatora samochodowego ani regeneracja pełnego ogniwa pouch bez jego rozbierania.

Potencjalnie tańszy i mniej energochłonny recykling

Z przeprowadzonej przez naukowców analizy ekonomicznej i środowiskowej wynika, że produkcja ogniw z elektrod odnowionych metodą DEER mogłaby kosztować o około 56 proc. mniej niż recykling wykorzystujący procesy wysoko­temperaturowe lub hydrometalurgiczne. Technologia powinna również zużywać mniej energii i powodować niższą emisję gazów cieplarnianych. Są to jednak szacunki, które muszą zostać potwierdzone po zwiększeniu skali procesu.

Nowa metoda nie pomoże każdej zużytej baterii. Najlepiej sprawdza się, gdy spadek pojemności wynika przede wszystkim z narastania warstwy na powierzchni elektrod. Nie naprawi poważnych pęknięć, uszkodzeń mechanicznych, trwałych zmian struktury materiału ani znacznej utraty aktywnego litu.

Naukowcy chcą teraz przeprowadzić testy na większych bateriach przemysłowych i rozszerzyć metodę na inne przyczyny degradacji. Konieczne będzie również opracowanie bezpiecznego, zautomatyzowanego sposobu demontażu ogniw oraz odzyskiwania i ponownego wykorzystywania roztworu DMI.

Mimo tych ograniczeń DEER pokazuje ważną zmianę w podejściu do zużytych baterii. Zamiast od razu traktować je jako źródło surowców, można najpierw sprawdzić, czy ich najcenniejsze elementy da się naprawić i wykorzystać ponownie. Wraz ze wzrostem liczby samochodów elektrycznych takie rozwiązania mogą ograniczyć zapotrzebowanie na nowe minerały i zmniejszyć środowiskowy koszt produkcji akumulatorów.

Źródła:

Energy & Environmental Science – publikacja naukowa dotycząca metody DEER
Cornell University – oficjalne omówienie wyników badań
Yue Research Group, Cornell University – opis publikacji i wyniki badania
TechSpot