Использованные литий-ионные батареи от сотовых телефонов, ноутбуков и растущего числа электромобилей накапливаются, а возможности их переработки по-прежнему ограничены в основном сжиганием или химическим растворением измельченных батарей. Современные методы могут создавать экологические проблемы, и их будет трудно сделать экономичными в промышленном масштабе.

Традиционный процесс восстанавливает лишь небольшое количество материалов аккумуляторной батареи и основан на использовании едких, неорганических кислот и опасных химикатов, которые могут вносить примеси. Для извлечения критических металлов также требуется сложное разделение и осаждение. Однако извлечение таких металлов, как кобальт и литий, могло бы снизить как загрязнение окружающей среды, так и зависимость от иностранных источников и затруднение цепочек поставок.

Таким образом, исследователи из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики усовершенствовали подходы, позволяющие растворять батарею в жидком растворе, чтобы уменьшить количество опасных химикатов, используемых в этом процессе.

Отработанную батарею замачивают в растворе органической лимонной кислоты, которая естественным образом содержится в цитрусовых, – растворенной в этиленгликоле, антифризе, обычно используемом в потребительских товарах, таких как краски и косметика. Лимонная кислота поступает из экологически чистых источников, и с ней гораздо безопаснее обращаться, чем с неорганическими кислотами. Этот зеленый раствор обеспечил поразительно эффективный процесс разделения и восстановления металлов с положительно заряженного электрода батареи, называемого катодом.

«Поскольку катод содержит критически важные материалы, это самая дорогая часть любой батареи, на которую приходится более 30% стоимости», — сказал Яокай Бай, член исследовательской группы по батареям ORNL. «Наш подход может со временем снизить стоимость батарей».

Исследование проводилось на заводе по производству аккумуляторов ORNL, крупнейшем в стране научно-исследовательском центре открытого доступа по производству аккумуляторов. Разработанная там технология рециркуляции выщелачивала из катода почти 100% кобальта и лития без внесения примесей в систему. Это также позволило эффективно отделить раствор металла от других остатков. Что наиболее важно, он выполнял вторую функцию, восстанавливая более 96% кобальта за считанные часы, без обычного добавления дополнительных химикатов в обычно сложном процессе ручного балансирования уровня кислоты.

«Это первый случай, когда одна система решений охватывает функции как выщелачивания, так и восстановления», — сказал ведущий исследователь Лу Юй. «Было интересно обнаружить, что кобальт выпадает в осадок и оседает без дальнейшего вмешательства. Мы этого не ожидали».

Устранение необходимости в дополнительных химикатах снижает затраты и позволяет избежать образования побочных продуктов или вторичных отходов.

«Мы рады, что этот процесс переработки, разработанный нашими учеными, может проложить путь к более эффективному восстановлению критически важных для аккумуляторов материалов», — сказал Илиас Белхаруак, корпоративный научный сотрудник и руководитель отдела электрификации ORNL.

«Мы были удивлены тем, как быстро произошло выщелачивание в нашем растворе», — сказал Бай. «С органической кислотой это обычно занимает 10-12 часов, но здесь потребовался только один».

Обычные растворы с использованием неорганической кислоты также действуют медленнее, поскольку они содержат воду, температура кипения которой ограничивает температуру реакции.

На Фото: Исследователи ORNL Лу Ю и Яокай Бай исследуют флаконы, содержащие химический раствор, который вызывает отделение кобальта и лития от отработанной батареи, после чего следует второй этап, когда кобальт выпадает в осадок на дне. © Карлос Джонс/ORNL. По данным ORNL