For at hjælpe med at imødekomme den globale efterspørgsel efter elbiler udvikler forskere en bæredygtig metode til genbrug af ældre lithium-ion-batterier

En forsker fra University of Toronto har udviklet en ny teknik til at hjælpe med at genbruge metallerne i lithium-ion-batterier, som er i høj efterspørgsel midt i et stigende globalt salg af elektriske køretøjer.

Gisele Azimi, professor i afdelingerne for materialevidenskab og teknik og kemiteknik og anvendt kemi på Fakultetet for Anvendt Videnskab og Teknik, og hendes team har foreslået en ny, mere bæredygtig metode til at udvinde værdifulde metaller – inklusive lithium, men også kobolt , nikkel og mangan - fra lithium-ion-batterier, der har nået slutningen af ​​deres brugbare levetid.

"At få disse metaller fra rå malm kræver en masse energi," siger Jiakai (Kevin) Zhang, en Ph.D. kandidat i kemiteknik og anvendt kemi, som er hovedforfatter på et nyt papir, der for nylig er offentliggjort i Resources, Conservation and Recycling .

"Hvis vi genbruger eksisterende batterier, kan vi opretholde den begrænsede forsyningskæde og hjælpe med at reducere omkostningerne til elbiler, hvilket gør køretøjerne mere overkommelige."

En del af Canadas forpligtelse til at nå netto-nul-emissioner i 2050 inkluderer et obligatorisk mål, der kræver, at 100 procent af nye lette biler og personbiler, der sælges i landet, skal være elektriske i 2035.

At nå dette mål vil kræve en stigning i udbuddet af kritiske metaller, hvis pris allerede er meget høj. For eksempel er kobolt, en nøgleingrediens i katodeproduktionen af ​​lithium-nikkel-mangan-cobalt-oxid (almindeligvis forkortet som NMC) batterier, der er meget udbredt i elbiler, også en af ​​de dyreste komponenter i lithium-ion batterier på grund af dets begrænset reserve.

"Vi er ved at nå et punkt, hvor mange lithium-ion-batterier er ved at nå deres levetid," siger Azimi. "Disse batterier er stadig meget rige på elementer af interesse og kan give en afgørende ressource til genopretning."

Ikke alene kan genbrug give disse materialer til en lavere pris, men det reducerer også behovet for at udvinde rå malm, der kommer med miljømæssige og etiske omkostninger.

Den forventede levetid for EV-batterier er fra 10 til 20 år, men de fleste bilproducenter giver kun garanti i otte år eller 160.000 kilometer – alt efter hvad der kommer først. Når EV-batterier når slutningen af ​​deres levetid, kan de renoveres til andet liv eller genbruges for at genvinde metaller. Men i dag bliver mange batterier kasseret forkert og ender på lossepladser.

"Hvis vi fortsætter med at udvinde lithium, kobolt og nikkel til batterier og derefter bare deponerer dem ved endt levetid, vil der være en negativ miljøpåvirkning, især hvis der opstår ætsende elektrolytudvaskning og forurener underjordiske vandsystemer," siger Zhang.

Konventionelle processer til genbrug af lithium-ion-batterier er baseret på pyrometallurgi, som bruger ekstrem høj temperatur, eller hydrometallurgi, som bruger syrer og reduktionsmidler til udvinding. Disse to processer er begge energikrævende:pyrometallurgi producerer drivhusgasemissioner, mens hydrometallurgi skaber spildevand, der skal behandles og håndteres.

I modsætning hertil bruger Azimis laboratoriegruppe superkritisk væskeudvinding til at genvinde metaller fra udtjente lithium-ion-batterier. Denne proces adskiller en komponent fra en anden ved at bruge et ekstraktionsmiddel ved en temperatur og et tryk over dets kritiske punkt, hvor den overtager egenskaberne af både en væske og en gas.

For at genvinde metallerne brugte Zhang kuldioxid som opløsningsmiddel, som blev bragt til en superkritisk fase ved at øge temperaturen over 31ºC og trykket op til 7 megapascal.

I papiret viste holdet, at denne proces matchede udvindingseffektiviteten af ​​lithium, nikkel, kobolt og mangan til 90% sammenlignet med de konventionelle udvaskningsprocesser, samtidig med at der blev brugt færre kemikalier og genereret betydeligt mindre sekundært affald. Faktisk skyldtes den vigtigste energikilde, der blev brugt under den superkritiske væskeekstraktionsproces, kompressionen af ​​CO₂ .

"Fordelen ved vores metode er, at vi bruger kuldioxid fra luften som opløsningsmiddel i stedet for meget farlige syrer eller baser," siger hun. "Kuldioxid er rigeligt, billigt og inert, og det er også nemt at håndtere, udlufte og genbruge."

Superkritisk væskeudvinding er ikke en ny proces. Det er blevet brugt i fødevare- og medicinalindustrien til at udvinde koffein fra kaffebønner siden 1970'erne. Azimi og hendes teams arbejde bygger på tidligere forskning i Laboratory for Strategic Materials for at genvinde sjældne jordarters grundstoffer fra nikkel-metal-hydrid-batterier.

Det er dog første gang, at denne proces er blevet brugt til at genvinde metaller fra lithium-ion-batterier, siger hun.

"Vi tror virkelig på succesen og fordelene ved denne proces," siger Azimi.

"Vi bevæger os nu i retning af kommercialisering af denne metode for at øge dens teknologiberedskabsniveau. Vores næste skridt er at afslutte partnerskaber for at bygge industriel genbrugsfaciliteter for sekundære ressourcer. Hvis det er aktiveret, ville det være en stor game changer." + Udforsk yderligere

Genbrug af kobolt i lukket kredsløb fra brugte lithium-ion-batterier baseret på et dybt eutektisk opløsningsmiddel