Новая стратегия переработки отработанных литий-ионных батарей основана на гидрометаллургическом процессе в нейтральном растворе. Это позволяет извлекать литий и другие ценные металлы экологически безопасным, высокоэффективным и недорогим способом, как сообщает китайская исследовательская группа в журнале Angewandte Chemie International Edition. Эффективность выщелачивания повышается благодаря механизму твердо-твердого восстановления, известному как «эффект батареи», а также добавлению аминокислоты глицина.
Литий-ионные батареи питают не только наши мобильные телефоны, планшеты и электромобили, но и становятся всё более важными для хранения нестабильной возобновляемой энергии. С увеличением их использования растёт и количество отработанных батарей. Их переработка перспективна: она может снизить воздействие на окружающую среду и обеспечить сырьё, такое как литий, кобальт, никель и марганец, для производства новых аккумуляторов.
Современные гидрометаллургические методы переработки отработанных литий-ионных батарей основаны на процессах выщелачивания с использованием кислот или аммиака. Однако чрезмерное и повторное применение кислот и оснований увеличивает экологический ущерб и риски для безопасности. Процесс с нейтральным pH был бы более безопасным и экологичным.
Чтобы разработать нейтральный подход, команде под руководством Лэй Мина и Син Оу из Центрального Южного университета в Чанша, Чжэнь Яо из Гуйчжоуского педагогического университета и Цзеси Вонга из Национального инженерного исследовательского центра передовых материалов для хранения энергии пришлось применить несколько хитростей, поскольку агрессивные реагенты, необходимые для классических процессов выщелачивания, нелегко заменить.
Первая хитрость: они создали «микробатареи» прямо на месте. Эти микробатареи помогают разрушить отработанный катодный материал батарей — оксид никеля, кобальта и марганца с покрытием из лития (NCM). Частицы NCM смешиваются с солью железа(II), оксалатом натрия и аминокислотой глицином в нейтральной жидкости. В результате на частицах образуется тонкий твёрдый слой оксалата железа(II). Этот «панцирь» действует как анод, в то время как ядра NCM служат катодом (эффект батареи). Прямой контакт облегчает передачу электронов.
Покрытие также предотвращает осаждение нежелательных побочных продуктов на частицах. Эффект батареи запускает электрохимическую реакцию, в которой ионы железа(II) окисляются до ионов железа(III), а ионы кислорода из окисных частиц NCM восстанавливаются до ионов OH⁻ с водой. Это разрушает слои NCM, высвобождая содержащиеся в них ионы лития, никеля, кобальта и марганца в раствор.
Вторая хитрость: эти ионы «захватываются» в комплексы глицином. Глицин выполняет ещё одну задачу: он стабилизирует pH раствора, поддерживая его в нейтральном диапазоне. За 15 минут удалось извлечь 99,99% лития, 96,8% никеля, 92,35% кобальта и 90,59% марганца из отработанных катодов.
Этот эффективный процесс выщелачивания в нейтральном растворе может открыть новые пути для масштабной и экологически безопасной переработки отработанных батарей. При этом почти не выделяются вредные газы, а сточные воды с глицином подходят для использования в качестве удобрения. Этот метод требует значительно меньше энергии и обходится дешевле, чем традиционные подходы.