Американські інженери розробили спосіб регенерації катодного матеріалу літій-іонних акумуляторів з використанням екологічного і нетоксичного тріетилфосфату, який розчиняє зв'язуючий матеріал, що прикріплює катод до струмопровідної підкладки - металевої фольге. У роботі, опублікованій в журналі вченим вдалося ефективно відновити неушкоджений кобальтовмісний катодний матеріал і чисту алюмінієву фольгу, які можна повторно використовувати в нових акумуляторах.
Літій-іонні акумулятори зараз використовуються повсюдно - на них працюють смартфони, ноутбуки і навіть електромобілі. Детально про те, як влаштовані такі акумулятори читайте в нашому матеріалі "Заряджений" "Нобель" ". Однак запаси матеріалів для таких батарей на нашій планеті обмежені і швидко виснажуються. За допомогою ефективної переробки використаних акумуляторів можна регенерувати такі цінні метали як кобальт, марганець і нікель.
Зараз метали в основному відновлюють пірометалургійним способом: тривалим нагрівом до температури 500 градусів Цельсія і вище, яке вимагає великих витрат енергії. Інший варіант (гідрометалургійний) полягає у використанні сильних кислот (сірчаної, азотної, соляної) у поєднанні з відновлювачем найчастіше - перекисом водню. Цей процес протікає при більш низькій температурі, але у нього є інший істотний недолік - утворення великої кількості шкідливих побічних продуктів, серед яких оксиди сірки і азоту, а також газоподібний хлор.
Одна з труднощів переробки полягає в тому, що катодний матеріал і вуглецева добавка щільно прилягають до тонкої алюмінієвої фольги через зв'язуючий полімер - полівініденфторид (ПВДФ). Ефективне відділення катодного матеріалу від алюмінієвої фольги допоможе отримувати чисті матеріали, придатні для повторного використання. Причому регенерація чистого алюмінію дуже вигідна економічно. Дослідження показали, що використання регенерованого алюмінію зі старих літій-іонних акумуляторів електромобілів в нових акумуляторах зможе знизити загальне споживання енергії при виробництві електромобілів на 33 відсотки.
Ефективний метод відділення катодного матеріалу від алюмінієвої фольги полягає в розчиненні зв'язуючого їх матеріалу - полівініденфториду. Попередні дослідження вже демонстрували, що такі розчинники як N-метил-2-пірролідон і N, N-диметилформамід добре підходять для розчинення ПВДФ. Однак ці розчинники неекологічні і токсичні для робітників.
Тепер інженери з Окриджської національної лабораторії під керівництвом Яоцай Бай (Yaocai Bai) продемонстрували ефективний спосіб відділення катодного матеріалу (що містить нікель, кобальт і марганець) від алюмінієвої фольги за допомогою більш екологічного і менш токсичного розчинника - тріетилфосфату. Причому цей розчинник може використовуватися багаторазово.
Перед регенерацією акумулятори повністю розрядили, розкрили і розрізали катод на невеликі шматочки, змив з поверхні електроліт. Далі ці шматочки помістили в ультразвукову ванну (при 100 градусах за Цельсієм) з тріетилфосфатом у співвідношенні катодного матеріалу до розчинника 1:10 за масою. При ультразвуковій обробці полівініліденфторід розчинявся в тріетилфосфаті, вивільняючи частинка графіту і катодного матеріалу. Потім катодні мікрочастинки відокремили від алюмінієвої фольги, отримані матеріали промили і висушили. Корозія на алюмінієвій фользі була відсутня.
Вміст залишкової кількості полімера і вуглецевих добавок у відновленому катодному матеріалі вчені з'ясували за допомогою термогравіметричного аналізу та інфрачервоної спектроскопії з перетворенням Фур'є. Кількість ПВДФ у катодному матеріалі знизилася до 0,41 відсоток за масою з 5 відсотків, а вміст вуглецевих частинок - з 5 до 1,79 відсотка.
Структуру відновлених матеріалів охарактеризували за допомогою скануючої електронної мікроскопії. Регенеровані мікрочастинки були практично ідентичні за формою і розміром мікрочастинкам з вихідного катодного матеріалу. Це важливо для їх подальшого використання в акумуляторах.
З відновленого матеріалу виготовили катоди для літій-іонних акумуляторів. Відновлений катод продемонстрував 95,5 відсотка базової ємності. Одна з причин, через яку ємність зменшилася, полягає в тому, що відновлений катод містив невелику кількість полівініденфториду і вуглецевих частинок. За словами вчених, позбудеться вуглецевих залишків можна за допомогою проколювання на повітрі або флотації.
Вчені по всьому світу шукають дешеві та екологічні способи виділення металів з літій-іонних акумуляторів. Торік хіміки з Франції та Сінгапуру запропонували видобувати цінні метали з літій-іонних акумуляторів за допомогою лимонної кислоти і відновлювача з екстракту апельсинової шкірки.