Nano-ingenieurs van de Universiteit van Californië in San Diego hebben een energie-efficiënt recyclingproces ontwikkeld dat gebruikte kathoden van gebruikte lithium-ionbatterijen herstelt en ze weer zo goed als nieuw laat werken. Het proces omvat het oogsten van de afgebroken kathodedeeltjes uit een gebruikte batterij en vervolgens koken en warmtebehandeling. Onderzoekers bouwden nieuwe batterijen met behulp van de geregenereerde kathoden. Laad opslagcapaciteit, oplaadtijd en levensduur van de batterij werden allemaal hersteld naar hun oorspronkelijke niveau.

Dit werk biedt een oplossing voor een milieuprobleem met betrekking tot lithium-ionbatterijen:wat moet u ermee doen als ze versleten zijn. Minder dan vijf procent van de gebruikte lithium-ionbatterijen wordt tegenwoordig gerecycled.

"Denk aan de miljoenen tonnen afval van lithium-ionbatterijen in de toekomst, vooral met de opkomst van elektrische voertuigen, en de uitputting van kostbare hulpbronnen zoals lithium en kobalt - het winnen van meer van deze hulpbronnen zal ons water en onze bodem vervuilen. Als we materialen uit oude batterijen duurzaam kunnen oogsten en hergebruiken, kunnen we dergelijke aanzienlijke milieuschade en afval mogelijk voorkomen, " zei Zheng Chen, een professor in nano-engineering aan de UC San Diego.

Chen, die is aangesloten bij het Sustainable Power and Energy Center van UC San Diego, zegt dat dit werk ook economische problemen met betrekking tot batterijafval zou kunnen aanpakken. "De prijs van lithium, kobalt en nikkel is aanzienlijk toegenomen. Het terugwinnen van deze dure materialen kan de batterijkosten verlagen, " hij zei.

De nieuwe recyclingmethode, onlangs gepubliceerd in Groene chemie , kan worden gebruikt om een ​​kathodemateriaal van een lithium-ionbatterij, lithiumkobaltoxide genaamd, te herstellen en te herstellen, die veel wordt gebruikt in consumentenelektronica, waaronder smartphones en laptops. De methode werkt ook op NMC, een populaire lithiumkathode die nikkel bevat, mangaan en kobalt, die in de meeste elektrische voertuigen wordt gebruikt.

De methode omvat eerst het verzamelen van kathodedeeltjes uit gebruikte lithium-ionbatterijen. Onderzoekers brengen de kathodedeeltjes vervolgens onder druk in een hete, alkalisch, oplossing die lithiumzout bevat - deze oplossing kan worden gerecycled en hergebruikt om meer batches te verwerken. Daarna, de deeltjes ondergaan een kort gloeiproces waarin ze worden verwarmd tot 800 C en daarna zeer langzaam worden afgekoeld.

Onderzoekers maakten nieuwe kathoden van de geregenereerde deeltjes en testten ze vervolgens in batterijen die in het laboratorium waren gebouwd. De nieuwe kathoden vertoonden dezelfde energieopslagcapaciteit, oplaadtijd en levensduur als de originelen.

Een interessant ding over dit proces, Chen merkte op, is dat het in wezen dezelfde is die gebruikt is om de originele kathodedeeltjes te maken. "We kunnen het aangetaste materiaal eenvoudig herstellen door het dezelfde verwerkingsstappen te laten ondergaan, " hij zei.

Als een lithium-ionbatterij verslijt, het kathodemateriaal verliest een deel van zijn lithiumatomen. De atomaire structuur van de kathode verandert ook zodanig dat het minder in staat is om ionen in en uit te bewegen. Het recyclingproces dat de groep van Chen heeft ontwikkeld, herstelt zowel de lithiumconcentratie als de atomaire structuur van de kathode in hun oorspronkelijke staat.

Algemeen, het recyclingproces verbruikt 5,9 megajoule aan energie, gelijk aan de energie in ongeveer driekwart kopje benzine, om één kilogram kathodemateriaal te herstellen. Verschillende andere recyclingprocessen voor lithium-ionbatterijen die worden ontwikkeld, verbruiken minstens twee keer zoveel energie.

Het doel is om dit proces te optimaliseren voor industriële weegschalen. Het team van Chen is van plan om samen te werken met batterijbedrijven in Azië. Een bijzonder verbeterpunt is de kathode-oogststap, zei Chen. Direct, de deeltjes moeten handmatig uit de rest van de batterij worden gehaald. Onderzoekers werken aan het vereenvoudigen van deze stap, zodat het hele proces industrieel levensvatbaar is.

Het team van Chen verfijnt dit proces zodat het kan worden gebruikt om elk type kathodemateriaal voor lithium-ionbatterijen te recyclen. naast lithiumkobaltoxide en lithium-NMC. "Het doel is om dit een algemeen recyclingproces te maken voor alle kathoden, "Zei Chen. Het team werkt ook aan een proces om gebruikte anoden te recyclen.