Onderzoekers van de Universiteit van Californië in San Diego hebben hun recyclingproces verbeterd dat gedegradeerde kathoden uit gebruikte lithium-ionbatterijen regenereert. Het nieuwe proces is veiliger en verbruikt minder energie dan hun vorige methode bij het herstellen van kathoden naar hun oorspronkelijke capaciteit en cyclusprestaties.

Zheng Chen, een professor in nano-engineering die verbonden is aan het Sustainable Power and Energy Center van UC San Diego, leidde het project. Het werk is gepubliceerd in Geavanceerde energiematerialen .

"Vanwege de snelle groei van de markten voor elektrische voertuigen, de wereldwijde productiecapaciteit van lithium-ionbatterijen zal naar verwachting de komende vijf jaar honderden gigawattuur per jaar bereiken, "Zei Chen. "Dit werk biedt een oplossing om de waarden van lithium-ionbatterijen aan het einde van hun levensduur na 5 tot 10 jaar gebruik terug te winnen."

Chen's team ontwikkelde eerder een directe recyclingbenadering voor het recyclen en regenereren van gedegradeerde kathoden. Het vult lithiumionen aan die kathoden verliezen bij langdurig gebruik en herstelt hun atomaire structuren terug naar hun oorspronkelijke staat. Echter, dat proces omvat het onder druk brengen van een hete lithiumzoutoplossing van kathodedeeltjes tot ongeveer 10 atmosfeer. Het probleem is dat deze drukverhoging de kosten verhoogt en extra veiligheidsmaatregelen en speciale apparatuur vereist. zei Chen.

Dus ontwikkelde het team een ​​milder proces om hetzelfde werk te doen bij omgevingsdruk (1 atmosfeer). De sleutel was het gebruik van eutectische lithiumzouten - een mengsel van twee of meer zouten dat smelt bij temperaturen die veel lager zijn dan een van de componenten. Deze combinatie van vaste lithiumzouten produceert een oplosmiddelvrije vloeistof die onderzoekers kunnen gebruiken om afgebroken kathodematerialen op te lossen en lithiumionen te herstellen zonder extra druk in de reactoren toe te voegen.

De nieuwe recyclingmethode omvat het verzamelen van kathodedeeltjes uit gebruikte lithium-ionbatterijen en deze vervolgens mengen met een eutectische lithiumzoutoplossing. Het mengsel wordt vervolgens in twee stappen met warmte behandeld:het wordt eerst verwarmd tot 300 C, vervolgens doorloopt het een kort gloeiproces waarin het enkele uren wordt verwarmd tot 850 C en vervolgens op natuurlijke wijze wordt afgekoeld.

Onderzoekers gebruikten de methode om NMC (LiNi _0,5 Mn _0.3 Co _0.2 ), een populaire kathode die nikkel bevat, mangaan en kobalt, die in veel van de huidige elektrische voertuigen wordt gebruikt.

"We maakten nieuwe kathoden van de geregenereerde deeltjes en testten ze vervolgens in batterijen die in het laboratorium waren gebouwd. De geregenereerde kathoden vertoonden dezelfde capaciteit en cyclusprestaties als de originelen, " zei Yang Shi, de eerste auteur die dit werk uitvoerde als postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Chen aan de UC San Diego.

"In een afgedankte lithium-ionbatterij, het kathodemateriaal verliest een deel van zijn lithium. De kristalstructuur van de kathode verandert ook zodanig dat deze minder in staat is om ionen in en uit te bewegen. Het door ons ontwikkelde recyclingproces herstelt zowel de lithiumconcentratie als de kristalstructuur van de kathode in hun oorspronkelijke staat, ' zei Shi.

Het team stemt dit proces af zodat het kan worden gebruikt voor het recyclen van elk type kathodemateriaal dat wordt gebruikt in lithium-ion- en natrium-ionbatterijen.

"Het doel is om dit een universeel recyclingproces te maken voor alle kathodematerialen, " zei Chen. Het team werkt ook aan een proces om gedegradeerde anoden te recyclen, zoals grafiet en andere materialen.

Chen werkt ook samen met UC San Diego nanoengineering professor Shirley Meng, wie is de directeur van het Sustainable Power and Energy Center, om subtiele veranderingen in de microstructuur van de kathode en de lokale samenstelling te identificeren met behulp van microscopische beeldvormingstools met hoge resolutie.