Rice University-onderzoekers hebben letterlijk een oplossing om de overvloed aan gebruikte lithium-ionbatterijen aan te pakken die zijn achtergelaten door de steeds toenemende vraag naar elektrische voertuigen, mobiele telefoons en andere elektronische apparaten.

Het Rice-lab van materiaalwetenschapper Pulickel Ajayan gebruikte een milieuvriendelijk diep eutectisch oplosmiddel om waardevolle elementen te extraheren uit de metaaloxiden die gewoonlijk worden gebruikt als kathodes in lithium-ionbatterijen. Het doel, onderzoekers zeiden, is om het gebruik van harde processen voor het recyclen van batterijen in te perken en ze uit de buurt van stortplaatsen te houden.

het oplosmiddel, gemaakt van basisproducten cholinechloride en ethyleenglycol, meer dan 90 procent kobalt gewonnen uit poedervormige verbindingen, en een kleinere maar nog steeds aanzienlijke hoeveelheid van gebruikte batterijen.

"Oplaadbare batterij afval, vooral van lithium-ionbatterijen, zal in de toekomst een steeds grotere uitdaging voor het milieu worden, aangezien de vraag ernaar door hun gebruik in elektrische voertuigen en andere gadgets dramatisch toeneemt, ' zei Ajayan.

"Het is belangrijk om strategische metalen zoals kobalt terug te winnen waarvan de voorraad beperkt is en die van cruciaal belang zijn voor de prestaties van deze apparaten voor energieopslag. "Hij zei. "Iets om te leren van onze huidige situatie met kunststoffen is dat het het juiste moment is om een ​​alomvattende strategie te hebben voor het recyclen van de groeiende hoeveelheid batterijafval."

De resultaten verschijnen in Natuur Energie .

"Dit is al eerder geprobeerd met zuren, "zei Rice afgestudeerde student en hoofdauteur Kimmai Tran. "Ze zijn effectief, maar ze zijn corrosief en niet milieuvriendelijk. Als geheel, het recyclen van lithium-ionbatterijen is doorgaans duur en een risico voor werknemers."

Andere processen hebben ook nadelen, ze zei. Pyrometallurgie omvat het breken en mengen bij extreme temperaturen, en de schadelijke dampen moeten worden geschrobd. Hydrometallurgie vereist bijtende chemicaliën, terwijl andere "groene" oplosmiddelen die metaalionen extraheren vaak extra middelen of processen bij hoge temperatuur nodig hebben om ze volledig op te vangen.

"Het mooie van dit diepe eutectische oplosmiddel is dat het een grote verscheidenheid aan metaaloxiden kan oplossen, Tran zei. "Het is letterlijk gemaakt van een additief voor kippenvoer en een veelvoorkomende plastic precursor die, wanneer gemengd bij kamertemperatuur, vormen een duidelijke, relatief niet-toxische oplossing die effectieve solvaterende eigenschappen heeft."

Een diep eutectisch oplosmiddel is een mengsel van twee of meer verbindingen dat bevriest bij temperaturen die veel lager zijn dan elk van zijn voorlopers. Op die manier, ze zei, men kan letterlijk een vloeistof verkrijgen uit een eenvoudige combinatie van vaste stoffen.

"De grote verlaging van vries- en smeltpunten is te wijten aan de waterstofbruggen die gevormd worden tussen de verschillende chemicaliën, Tran zei. "Door de juiste voorlopers te selecteren, goedkope 'groene' oplosmiddelen met interessante eigenschappen kunnen worden gefabriceerd."

Toen Tran erbij kwam, de Rice-groep testte al een eutectische oplossing als elektrolyt in supercondensatoren van de volgende generatie met hoge temperaturen.

"We hebben geprobeerd het te gebruiken in supercondensatoren van metaaloxide, en het loste ze op, "zei Rice-onderzoeker en co-corresponderende auteur Babu Ganguli. "De kleur van de oplossing zou veranderen."

Het eutectisch middel trok ionen uit het nikkel van de supercondensator.

"Ons team besprak dit en we realiseerden ons al snel dat we wat als een nadeel voor elektrolyt werd beschouwd, als een voordeel konden gebruiken voor het oplossen en recyclen van gebruikte lithiumbatterijen, ' zei Ganguli.

Dat werd Tran's focus, terwijl ze diepe eutectische oplosmiddelen testte op metaaloxiden bij verschillende temperaturen en tijdschalen. Tijdens tests met lithiumkobaltoxidepoeder, het heldere oplosmiddel leverde een breed spectrum van blauwgroene kleuren op, wat op de aanwezigheid van opgelost kobalt wees.

Bij 180 graden Celsius (356 graden Fahrenheit), het oplosmiddel heeft bijna 90 procent van de lithiumionen geëxtraheerd, en tot 99 procent van de kobaltionen uit het poeder wanneer aan bepaalde voorwaarden werd voldaan.

De onderzoekers bouwden kleine prototypebatterijen en lieten ze 300 keer fietsen voordat ze de elektroden aan dezelfde omstandigheden blootstelden. Het oplosmiddel bleek bedreven in het oplossen van het kobalt en lithium terwijl het de metaaloxiden scheidde van de andere verbindingen die in de elektrode aanwezig waren.

Ze ontdekten dat kobalt uit de eutectische oplossing kon worden teruggewonnen door precipitatie of zelfs galvanisatie tot een stalen gaas, omdat deze laatste methode het mogelijk maakte dat het diepe eutectische oplosmiddel zelf opnieuw kon worden gebruikt.

"We concentreerden ons op kobalt, " zei Rice-alumnus Marco Rodrigues, nu een postdoctoraal onderzoeker bij Argonne National Laboratory. "Vanuit het oogpunt van hulpbronnen, het is het meest kritische onderdeel. De batterij in je telefoon zal er zeker veel van hebben. Lithium is ook erg waardevol, maar vooral kobalt is niet alleen ecologisch schaars, maar ook, vanuit een sociaal standpunt, moeilijk te krijgen."

Hij merkte op dat het ministerie van Energie nieuwe inspanningen levert om technologieën voor batterijrecycling te bevorderen en heeft onlangs een centrum voor recycling van Li-ionbatterijen aangekondigd.

De weg vooruit zal voortdurende inspanningen vergen.

"Het is waarschijnlijk dat we de mijnbouw niet volledig kunnen recyclen en vervangen, Tran zei. "Deze technologieën zijn relatief nieuw, en er moet nog veel worden geoptimaliseerd, zoals het onderzoeken van andere diepe eutectische oplosmiddelen, maar we geloven echt in het potentieel voor groenere manieren om vuile chemie te doen. Duurzaamheid staat centraal in het werk dat ik doe en wat ik de rest van mijn carrière wil doen."