Genbrug og genbrug af slidte katoder til at lave nye lithium-ion-batterier

Nanoingeniører ved University of California San Diego har udviklet en energieffektiv genbrugsproces, der genopretter brugte katoder fra brugte lithium-ion-batterier og får dem til at fungere lige så gode som nye. Processen involverer at høste de nedbrudte katodepartikler fra et brugt batteri og derefter koge og varmebehandle dem. Forskere byggede nye batterier ved hjælp af de regenererede katoder. Oplad lagerkapacitet, opladningstid og batterilevetid blev alle gendannet til deres oprindelige niveauer.

Dette arbejde præsenterer en løsning på en miljømæssig bekymring vedrørende lithium-ion-batterier:hvad skal man gøre med dem, når de bliver slidte. Mindre end fem procent af brugte lithium-ion-batterier genbruges i dag.

"Tænk på de millioner af tons lithium-ion-batteriaffald i fremtiden, især med fremkomsten af ​​elektriske køretøjer, og udtømningen af ​​dyrebare ressourcer som lithium og kobolt – udvinding af flere af disse ressourcer vil forurene vores vand og jord. Hvis vi bæredygtigt kan høste og genbruge materialer fra gamle batterier, vi kan potentielt forhindre sådanne betydelige miljøskader og affald, " sagde Zheng Chen, en professor i nanoteknik ved UC San Diego.

Chen, som er tilknyttet Sustainable Power and Energy Center ved UC San Diego, siger, at dette arbejde også kunne løse økonomiske problemer relateret til batterispild. "Prisen på lithium, kobolt og nikkel er steget markant. Genvinding af disse dyre materialer kan sænke batteriomkostningerne, " han sagde.

Den nye genbrugsmetode, udgivet for nylig i Grøn Kemi , kan bruges til at genvinde og gendanne et lithium-ion batteri katodemateriale kaldet lithium cobalt oxid, som er meget udbredt i forbrugerelektronik, herunder smartphones og bærbare computere. Metoden virker også på NMC, en populær lithiumkatode indeholdende nikkel, mangan og kobolt, som bruges i de fleste elbiler.

Metoden går ud på først at indsamle katodepartikler fra brugte lithium-ion-batterier. Forskere sætter derefter katodepartiklerne under tryk i en varm, alkalisk, opløsning, der indeholder lithiumsalt - denne opløsning kan genbruges og genbruges til at behandle flere batches. Bagefter, partiklerne gennemgår en kort udglødningsproces, hvor de opvarmes til 800 C og derefter afkøles meget langsomt.

Forskere lavede nye katoder af de regenererede partikler og testede dem derefter i batterier bygget i laboratoriet. De nye katoder viste samme energilagringskapacitet, opladningstid og levetid som originalerne.

En interessant ting ved denne proces, Chen bemærkede, er, at det i det væsentlige er den samme, der bruges til at lave de originale katodepartikler. "Vi kan simpelthen genoprette det nedbrudte materiale ved at sætte det igennem de samme behandlingstrin, " han sagde.

Når et lithium-ion-batteri bliver slidt, katodematerialet mister nogle af sine lithiumatomer. Katodens atomare struktur ændres også, så den er mindre i stand til at flytte ioner ind og ud. Genbrugsprocessen, som Chens gruppe udviklede, genopretter både katodens lithiumkoncentration og atomstruktur tilbage til deres oprindelige tilstand.

Samlet set, genbrugsprocessen bruger 5,9 megajoule energi, svarende til energien i omkring tre fjerdedele af en kop benzin, at genoprette et kilo katodemateriale. Adskillige andre lithium-ion batteri katoder genbrugsprocesser, der er under udvikling, bruger mindst dobbelt så meget energi.

Målet er at optimere denne proces til industrielle skalaer. Chens team planlægger at arbejde med batterivirksomheder i Asien. Et særligt forbedringsområde er katodehøsttrinnet, sagde Chen. Lige nu, partiklerne skal manuelt plukkes ud fra resten af ​​batteriet. Forskere arbejder på at forenkle dette trin, så hele processen er industrielt levedygtig.

Chens team forfiner denne proces, så den kan bruges til at genbruge enhver type lithium-ion batteri katodemateriale, ud over lithium cobalt oxide og lithium NMC. "Målet er at gøre dette til en generel genbrugsproces for alle katoder, " sagde Chen. Holdet arbejder også på en proces til at genbruge brugte anoder.