Martwe baterie litowe ożywione w kąpieli. Cornell odzyskuje 95% pojemności bez mielenia

Zwykły recykling baterii litowo-jonowych ma w sobie ukrytą ironię: rozdrabnia nienaruszone elektrody, by z odzyskanych metali znowu zrobić… elektrody. Naukowcy z Cornell University proponują skrót — kąpiel chemiczną, która przywraca martwemu ogniwu 95% pojemności bez mielenia.

Dlaczego baterie się starzeją

→ Czytaj też: Nawet szef Nvidii musi walczyć z Nvidią o moc obliczeniową. Oto dlaczego

Winowajcą jest cienka warstwa zwana SEI (solid electrolyte interphase), która narasta na elektrodach przy każdym cyklu ładowania. Odrobina SEI jest potrzebna do pracy ogniwa. Problem zaczyna się po setkach lub tysiącach cykli.

Warstwa robi się coraz grubsza, rośnie opór wewnętrzny, a pojemność spada. To główny powód, dla którego akumulatory samochodów elektrycznych i magazyny energii trafiają na emeryturę — mimo że ich struktura wciąż jest sprawna. W elektrodach nadal tkwią cenne surowce: lit, nikiel, kobalt, mangan, miedź i aluminium.

Jak działa kąpiel DEER

→ Czytaj też: Zamienili laser w mikser. Teraz metalowe drukarki 3D tworzą stopy, których nie dało się wyprodukować

Metodę opisano w czasopiśmie Energy and Environmental Science pod nazwą Direct Electrode-to-Electrode Regeneration (DEER). Zamiast rozdrabniać ogniwo, badacze otwierają je i wyjmują elektrody w całości.

Następnie elektrody trafiają do kąpieli zawierającej związek o nazwie 1,3-dimetylo-2-imidazolidinon. Roztwór rozpuszcza nadmiar warstwy SEI, pozostawiając zregenerowane elektrody gotowe do montażu w nowej baterii. Co ciekawe, proces zostawia cienką warstwę fluorku litu, która stabilizuje elektrodę i hamuje dalszy narost SEI.

Dzięki tej resztkowej powłoce zregenerowane ogniwa wykazały lepszą stabilność cykli, niż się spodziewano. Klasyczny recykling wymaga natomiast pełnego rozładowania, demontażu pakietu do poziomu pojedynczych ogniw, mechanicznego rozdrobnienia, a na końcu energochłonnej pirometalurgii lub hydrometalurgii.

Liczby, które robią różnicę

Według zespołu metoda przynosi konkretne korzyści w porównaniu z tradycyjnym recyklingiem:

• odzysk 95% pierwotnej pojemności ogniwa,
• obniżenie kosztów wytwarzania ogniw z recyklingu o 56%,
• mniej szkodliwych zanieczyszczeń powietrza i niższe zużycie wody,
• dłuższa żywotność zregenerowanych baterii.

Analizy techniczno-ekonomiczne i środowiskowe przeprowadzono z użyciem otwartego oprogramowania opracowanego przez współpracowników z ReCell Center w Argonne National Laboratory. Skrócenie pętli obiegu surowców eliminuje całe etapy ekstrakcji.

„Naprawiamy je w obecnej postaci, bez rozdrabniania czy proszkowania, a potem wkładamy z powrotem do nowej baterii. Rozpuszczanie to w zasadzie to, co pomaga baterii odzyskać pojemność. Daje 95% odzysku” — mówi Vibha Kalra, profesor inżynierii chemicznej z Cornell i liderka projektu.

Drugie i trzecie życie ogniwa

Naukowcy poszli o krok dalej. Gdy zregenerowana bateria znów straciła pojemność przez kolejne osady SEI, poddali ją procesowi DEER po raz drugi. Ogniwo w „trzecim życiu” wciąż zachowywało około 90% pierwotnej pojemności.

Obecnie metoda dotyczy baterii o stanie zdrowia 70–80%, typowym dla zastosowań w samochodach elektrycznych. „Możemy poszerzyć to okno, jeśli uda nam się zaadresować niektóre z innych mechanizmów degradacji” — zaznacza Kalra. Zespół chce sprawdzić DEER przy innych formach zużycia, jak utrata litu, oraz zastosować ją do baterii przemysłowych i wielkoskalowych magazynów energii.

Jeśli technologia sprawdzi się poza laboratorium, recykling przestanie oznaczać niszczenie tego, co wciąż działa. A surowce krytyczne — lit, kobalt, nikiel — pozostaną w obiegu znacznie dłużej.