Ny blå-grøn løsning til genbrug af verdens batterier

Rice University-forskere har bogstaveligt talt en løsning til at håndtere overfloden af ​​brugte lithium-ion-batterier, der er efterladt af den stadigt stigende efterspørgsel efter elektriske køretøjer, mobiltelefoner og andre elektroniske enheder.

Materialeforskeren Pulickel Ajayans rislaboratorium brugte et miljøvenligt dybt eutektisk opløsningsmiddel til at udvinde værdifulde elementer fra de metaloxider, der almindeligvis bruges som katoder i lithium-ion-batterier. Målet, forskere sagde, er at begrænse brugen af ​​barske processer til at genbruge batterier og holde dem væk fra lossepladser.

Opløsningsmidlet, lavet af råvarer cholinchlorid og ethylenglycol, ekstraheret mere end 90 procent af kobolt fra pulveriserede forbindelser, og en mindre, men stadig betydelig mængde fra brugte batterier.

"Genopladeligt batterispild, især fra lithium-ion-batterier, vil blive en stadig mere truende miljøudfordring i fremtiden, da efterspørgslen efter disse gennem deres brug i elektriske køretøjer og andre gadgets stiger dramatisk, " sagde Ajayan.

"Det er vigtigt at genvinde strategiske metaller som kobolt, der er begrænset i forsyning og er afgørende for ydeevnen af ​​disse energilagringsenheder, " sagde han. "Noget at lære af vores nuværende situation med plastik er, at det er det rigtige tidspunkt at have en omfattende strategi for genanvendelse af den voksende mængde batteriaffald."

Resultaterne vises i Naturenergi .

"Dette er blevet forsøgt før med syrer, " sagde Rice kandidatstuderende og hovedforfatter Kimmai Tran. "De er effektive, men de er ætsende og ikke miljøvenlige. Som en helhed, genbrug af lithium-ion-batterier er typisk dyrt og en risiko for arbejderne."

Andre processer har også ulemper, hun sagde. Pyrometallurgi involverer knusning og blanding ved ekstreme temperaturer, og de skadelige dampe kræver skrubning. Hydrometallurgi kræver ætsende kemikalier, mens andre "grønne" opløsningsmidler, der ekstraherer metalioner, ofte kræver yderligere midler eller højtemperaturprocesser for fuldt ud at fange dem.

"Det gode ved dette dybe eutektiske opløsningsmiddel er, at det kan opløse en lang række metaloxider, " sagde Tran. "Den er bogstaveligt talt lavet af et kyllingefodertilsætningsstof og en almindelig plastikprækursor, der når det blandes sammen ved stuetemperatur, danne en klar, relativt ugiftig opløsning, der har effektive solvatiseringsegenskaber."

Et dybt eutektisk opløsningsmiddel er en blanding af to eller flere forbindelser, der fryser ved temperaturer meget lavere end hver af dets forstadier. På den måde, hun sagde, man kan bogstaveligt talt få en væske fra en simpel kombination af faste stoffer.

"Den store depression af fryse- og smeltepunkter skyldes de hydrogenbindinger, der dannes mellem de forskellige kemikalier, " sagde Tran. "Ved at vælge de rigtige forstadier, Der kan fremstilles billige 'grønne' opløsningsmidler med interessante egenskaber."

Da Tran kom med, Rice-gruppen testede allerede en eutektisk opløsning som en elektrolyt i næste generations højtemperatursuperkondensatorer.

"Vi forsøgte at bruge det i metaloxid-superkondensatorer, og det var ved at opløse dem, " sagde Rice-forsker og co-korresponderende forfatter Babu Ganguli. "Farven på opløsningen ville ændre sig."

Eutektikken trak ioner fra superkondensatorens nikkel.

"Vores team diskuterede dette, og vi indså hurtigt, at vi kunne bruge, hvad man mente at være en ulempe for elektrolyt som en fordel til at opløse og genbruge brugte lithiumbatterier, " sagde Ganguli.

Det blev Transs fokus, da hun testede dybe eutektiske opløsningsmidler på metaloxider ved forskellige temperaturer og tidsskalaer. Under test med lithium cobalt oxid pulver, det klare opløsningsmiddel gav et bredt spektrum af blågrønne farver, der indikerede tilstedeværelsen af ​​kobolt opløst indeni.

Ved 180 grader Celsius (356 grader Fahrenheit), opløsningsmidlet ekstraherede næsten 90 procent af lithiumioner, og op til 99 procent af koboltioner fra pulveret, når visse betingelser var opfyldt.

Forskerne byggede små prototypebatterier og cyklede dem 300 gange, før de udsatte elektroderne for de samme forhold. Opløsningsmidlet viste sig at være dygtigt til at opløse kobolt og lithium, mens metaloxiderne adskiltes fra de andre forbindelser, der var til stede i elektroden.

De fandt ud af, at kobolt kunne genvindes fra den eutektiske opløsning gennem udfældning eller endda galvanisering til et stålnet, da denne sidstnævnte metode potentielt gjorde det muligt at genbruge selve det dybe eutektiske opløsningsmiddel.

"Vi fokuserede på kobolt, " sagde Rice-alumnen Marco Rodrigues, nu postdoc-forsker ved Argonne National Laboratory. "Fra et ressourcesynspunkt, det er den mest kritiske del. Batteriet i din telefon vil helt sikkert have masser af det. Lithium er også meget værdifuldt, men især kobolt er ikke kun miljømæssigt knap, men også fra et socialt synspunkt, svær at få."

Han bemærkede, at Department of Energy igangsætter nye bestræbelser på at fremme teknologier til genbrug af batterier og har for nylig annonceret et center for genbrug af Li-ion-batterier.

Vejen frem vil kræve en fortsat indsats.

"Det er sandsynligt, at vi ikke vil være i stand til at genbruge og erstatte minedrift fuldstændigt, " sagde Tran. "Disse teknologier er relativt nye, og der er en masse optimering, der skal udføres, såsom at udforske andre dybe eutektiske opløsningsmidler, men vi tror virkelig på potentialet for grønnere måder at lave beskidt kemi på. Bæredygtighed er i hjertet af det arbejde, jeg laver, og det, jeg ønsker at gøre resten af ​​min karriere."