Forskere forbedrer metoden til at genbruge og forny brugte katoder fra lithium-ion-batterier

Forskere ved University of California San Diego har forbedret deres genbrugsproces, der regenererer nedbrudte katoder fra brugte lithium-ion-batterier. Den nye proces er sikrere og bruger mindre energi end deres tidligere metode til at genoprette katoder til deres oprindelige kapacitet og cyklusydelse.

Zheng Chen, en professor i nanoteknik, der er tilknyttet Sustainable Power and Energy Center ved UC San Diego, ledet projektet. Værket blev udgivet i Avancerede energimaterialer .

"På grund af den hurtige vækst på elbilmarkederne, den verdensomspændende produktionskapacitet af lithium-ion-batterier forventes at nå op på hundredvis af gigawatt-timer om året i de næste fem år, " sagde Chen. "Dette arbejde præsenterer en løsning til at genvinde værdierne af udtjente lithium-ion-batterier efter 5 til 10 års drift."

Chens team har tidligere udviklet en direkte genbrugstilgang til at genbruge og regenerere nedbrudte katoder. Det genopbygger lithium-ioner, som katoder mister ved længere tids brug, og genopretter deres atomare strukturer tilbage til deres oprindelige tilstande. Imidlertid, denne proces indebærer, at en varm lithiumsaltopløsning af katodepartikler sættes under tryk til omkring 10 atmosfærer. Problemet er, at dette presserende trin øger omkostningerne og kræver ekstra sikkerhedsforanstaltninger og specialudstyr, sagde Chen.

Så holdet udviklede en mildere proces til at udføre det samme arbejde ved omgivende tryk (1 atmosfære). Nøglen var at bruge eutektiske lithiumsalte - en blanding af to eller flere salte, der smelter ved temperaturer meget lavere end nogen af ​​dets komponenter. Denne kombination af faste lithiumsalte producerer en opløsningsmiddelfri væske, som forskere kan bruge til at opløse nedbrudte katodematerialer og genoprette lithiumioner uden at tilføje noget ekstra tryk i reaktorerne.

Den nye genbrugsmetode går ud på at indsamle katodepartikler fra brugte lithium-ion-batterier og derefter blande dem med en eutektisk lithiumsaltopløsning. Blandingen varmebehandles derefter i to trin:den opvarmes først til 300 C, derefter gennemgår den en kort udglødningsproces, hvor den opvarmes til 850 C i flere timer og derefter afkøles naturligt.

Forskere brugte metoden til at regenerere NMC (LiNi _0,5 Mn _0,3 Co _0,2 ), en populær katode indeholdende nikkel, mangan og kobolt, som bruges i mange af nutidens elbiler.

"Vi lavede nye katoder af de regenererede partikler og testede dem derefter i batterier bygget i laboratoriet. De regenererede katoder viste samme kapacitet og cyklusydelse som de originale, " sagde Yang Shi, den første forfatter, der udførte dette arbejde som postdoc-forsker i Chens laboratorium ved UC San Diego.

"I et udtjent lithium-ion batteri, katodematerialet mister noget af sit lithium. Katodens krystalstruktur ændres også, så den er mindre i stand til at flytte ioner ind og ud. Genbrugsprocessen, som vi udviklede, genopretter både katodens lithiumkoncentration og krystalstrukturen tilbage til deres oprindelige tilstande, " sagde Shi.

Holdet tuner denne proces, så den kan bruges til at genbruge enhver type katodemateriale, der bruges i lithium-ion- og natrium-ion-batterier.

"Målet er at gøre dette til en universel genbrugsproces for alle katodematerialer, " sagde Chen. Holdet arbejder også på en proces til at genbruge nedbrudte anoder, såsom grafit samt andre materialer.

Chen samarbejder også med UC San Diego nanoingeniørprofessor Shirley Meng, hvem er direktør for Sustainable Power and Energy Center, at identificere subtile ændringer i katodemikrostrukturen og den lokale sammensætning ved hjælp af mikroskopiske billedværktøjer i høj opløsning.