Эффективное извлечение металлов из литий-ионных батарей

Исследователи из Университета Райса представили инновационный двухэтапный процесс флэш-нагрева по Джоулю с хлорированием и окислением (FJH-ClO), который позволяет быстро и чисто извлекать литий и переходные металлы из отработанных литий-ионных аккумуляторов. Этот метод предлагает альтернативу традиционным методам переработки, не требующую использования кислот и отличающуюся высокой энергоэффективностью, что особенно актуально в условиях растущего спроса на аккумуляторы для электромобилей и портативной электроники.

Публикация в журнале Advanced Materials описывает технологию, способную кардинально изменить подход к переработке критически важных аккумуляторных материалов. В отличие от существующих методов, которые часто энергозатратны, производят сточные воды и требуют применения агрессивных химикатов, процесс FJH-ClO обеспечивает высокие выходы и чистоту лития, кобальта и графита. При этом снижается потребление энергии, объемы используемых химикатов и общие затраты.

«Мы разработали процесс FJH-ClO, чтобы опровергнуть представление о том, что переработка аккумуляторов обязательно должна включать кислотное выщелачивание», — отметил профессор Джеймс Тур, руководитель исследования. «FJH-ClO — это быстрый и точный способ извлечения ценных материалов без их повреждения и вреда для окружающей среды».

Быстрый и контролируемый нагрев

Стремительный рост использования литий-ионных батарей в электромобилях и потребительской электронике усиливает потребность в устойчивых технологиях их переработки. Существующие методы зачастую дороги, неэффективны и приводят к образованию значительного количества сточных вод.

Для решения этих проблем команда исследователей разработала двухэтапный процесс, который использует кратковременные вспышки тепла и воздух вместо агрессивных химикатов. На первом этапе материалы батареи подвергаются кратковременному нагреву с использованием хлора, что способствует их разложению. Затем следует второй этап нагрева на воздухе, в результате которого большинство металлов преобразуется в формы, поддающиеся отделению от лития. Поскольку литий менее склонен к образованию оксидов по сравнению с другими металлами, он остается в виде хлорида, который легко извлекается с помощью воды.

Предыдущие методы требовали длительных процессов и сильных кислот. Подход FJH-ClO, напротив, использует быстрый, контролируемый нагрев и простые реакции, делая процесс разделения более чистым и оперативным.

Комплексное восстановление

Тестирование показало, что новый процесс способен извлекать практически все ценные материалы из использованных аккумуляторов, включая литий, кобальт и графит, с высокой степенью чистоты. Предварительные анализы свидетельствуют о том, что даже при малом масштабе он может потребовать примерно вдвое меньше энергии, на 95% меньше химикатов и значительно более низкие затраты по сравнению с существующими методами.

Эти результаты демонстрируют масштабируемый, не требующий кислот подход к комплексному восстановлению материалов литий-ионных аккумуляторов, предлагая как экологические, так и экономические преимущества, и устанавливая новый стандарт для устойчивой переработки батарей.

«Приятно видеть процесс, который одновременно научно обоснован и практически полезен», — поделился Шичэнь Сюй, первый автор исследования и постдок Университета Райса. «Этот баланс позволяет добиться реального воздействия».

Будущие перспективы

Данный процесс открывает путь к крупномасштабной реализации и интеграции в цепочку поставок аккумуляторов. Он создает основу для восстановления ценных материалов, снижая потребность в добыче первичных ресурсов.

Процесс FJH-ClO уже продемонстрировал свою эффективность в лабораторных условиях, и исследователи планируют масштабировать его через свою стартап-компанию Flash Metals U.S., подразделение Metallium Ltd.

«Это больше, чем просто лабораторный эксперимент», — заключил Тур. «Это план того, как индустрия может удовлетворить спрос на аккумуляторные материалы, не увеличивая нагрузку на планету».