Переработка аккумуляторов: новая технология получения лития

С ростом популярности электромобилей старые аккумуляторные батареи становятся серьезной проблемой утилизации. Добыча и переработка лития — дорогие и энергоемкие процессы. Существующие методы переработки зачастую требуют много химикатов и энергии, производя карбонат лития, который затем нужно дополнительно обрабатывать для получения гидроксида лития, пригодного для повторного использования.

Инженеры из Университета Райса предложили более чистый подход. Вместо переплавки или растворения измельченных материалов батарей в сильных кислотах, они разработали процесс, основанный на перезарядке отработанных катодных материалов. Этот метод позволяет извлекать ионы лития в воду, где они, соединяясь с гидроксидом, образуют высокочистый гидроксид лития.

«Мы задались простым вопросом: если зарядка батареи извлекает литий из катода, почему бы не использовать ту же реакцию для переработки?» — говорит Сибани Лиза Бисвал, заведующая кафедрой химической и биомолекулярной инженерии Райса. «Сочетая эту химию с компактным электрохимическим реактором, мы можем чисто отделять литий и получать именно тот продукт, который нужен производителям».

В работающей батарее процесс зарядки извлекает ионы лития из катода. Система Райса применяет тот же принцип к отработанным катодным материалам, таким как фосфат железа-лития. В начале реакции ионы лития мигрируют через тонкую мембрану, проницаемую для катионов, в поток воды. На противоэлектроде происходит другая простая реакция, расщепляющая воду с образованием гидроксида. Затем литий и гидроксид соединяются в потоке воды, образуя гидроксид лития без использования агрессивных кислот или дополнительных химикатов.

Исследование, опубликованное в журнале Joule, представляет собой реактор с нулевым зазором между мембраной и электродами, который использует только электричество, воду и отходы батарей.

В некоторых режимах процесс требовал всего 103 килоджоуля энергии на килограмм перерабатываемого материала. Команда масштабировала устройство до 20 квадратных сантиметров, провела 1000-часовой тест на стабильность и переработала 57 граммов промышленных материалов.

«Прямое получение высокочистого гидроксида лития сокращает путь к созданию новых батарей», — отметил Хао Тянь Ван, профессор химической и биомолекулярной инженерии и соавтор исследования. «Это означает меньше стадий обработки, меньше отходов и более устойчивую цепочку поставок».

Процесс позволил получить гидроксид лития с чистотой более 99%, что достаточно для прямого использования в производстве аккумуляторов. Кроме того, он оказался весьма энергоэффективным: потребление энергии составило от 103 до 536 килоджоулей на килограмм отходов. Система продемонстрировала долговечность и масштабируемость, сохраняя средний коэффициент извлечения лития почти 90% в течение 1000 часов непрерывной работы.

Метод также показал эффективность при работе с различными типами аккумуляторов, включая фосфат железа-лития, оксид марганца-лития и никель-марганец-кобальтовые варианты. Особенно обнадеживает то, что исследователи смогли продемонстрировать рулонную обработку целых электродов из фосфата железа-лития непосредственно с алюминиевой фольги — без необходимости соскребания или предварительной обработки.

«Демонстрация рулонной обработки показывает, как этот процесс может быть интегрирован в автоматизированные линии разборки», — добавил Ван. «Вы подаете электрод, питаете реактор низкоуглеродной электроэнергией и получаете гидроксид лития аккумуляторного качества».

В дальнейшем исследователи планируют дальнейшее масштабирование технологии, разработку стеков с большей площадью, увеличение загрузки сырья и проектирование более селективных, гидрофобных мембран для поддержания высокой эффективности при более высоких концентрациях гидроксида лития. Они также видят в постобработке — концентрировании и кристаллизации гидроксида лития — следующую важную возможность для снижения общего энергопотребления и выбросов.

«Мы сделали извлечение лития более чистым и простым», — заключила Бисвал. «Теперь мы ясно видим следующее узкое место. Решим проблему концентрации, и откроется путь к еще большей экологичности».