Российские ученые разработали новый способ переработки аккумуляторов

Теперь процесс переработки графитовых анодов, одного из главных элементов литий-ионных аккумуляторов может происходить быстрее и требует меньших энергозатрат

В современном мире литий-ионные аккумуляторы используются повсеместно: например, в бытовой электронике, сотовых телефонах, ноутбуках, цифровых фотоаппаратах, видеокамерах и электромобилях. Переработка – необходимый этап их жизненного цикла, который позволяет использовать материалы повторно, и, соответственно, снижать не только затраты на производство, но и вредное воздействие на экологию. Кроме того, переработка литий-ионных аккумуляторов является неотложным приоритетом, учитывая ограниченные мировые запасы дорогих металлов, таких как литий, никель и кобальт.

Ученые-химики из Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ) создали быстрый и эффективный способ переработки графитных анодов литий-ионных аккумуляторов, сообщает пресс-служба университета. Потребление энергии при использовании данного метода составляет от 6,9 до 28 Вт•ч на 1 кг графита — это в несколько сотен раз меньше, чем в традиционных методах переработки, таких как пирометаллургия и гидрометаллургия. Время переработки также значительно меньше. Результаты исследования, на которых основан новый способ, опубликованы в химическом научном журнале Journal of Environmental Chemical Engineering.

Чтобы понять суть нового метода, вспомним, что при производстве литий-ионных батарей широко используется графит. Сложность его переработки связана с тем, что часто на переработанном графите образуется нестабильный и неоднородный твердый электролитный слой, что приводит к разрушению структуры графита и его ускоренному старению. Новый способ переработки графитовых анодов позволяет не только проводить его очистку быстрее, но и формировать на верхнем слое структуры оксид графена — проводимую и устойчивую к деградации структуру. Как сообщается на сайте СПбГУ, при переработке сначала происходит отделение графитовой намазки от медного токопровода — для этого графитовые листы просто перемешивают в дистиллированной воде. Из-за реакции лития с водой начинается обильное выделение газа, пузырьки которого «отрывают» покрытие от меди. Полученную дисперсию промывают, центрифугируют, переносят в реактор и добавляют в нее раствор перекиси водорода. Затем при постоянном перемешивании обрабатывают электрическим разрядом до 1000 Вт в вакууме. Между рабочим электродом и поверхностью дисперсии возникает тлеющий разряд, сопровождающийся ультрафиолетовым излучением и ударными волнами. Под их действием происходит постепенное разложение перекиси водорода с образованием активных частиц, в особенности гидроксильных радикалов. Они взаимодействуют с поверхностью диспергированных частичек, вызывая окисление как их самих, так и продуктов разложения электролита на них, а ударные волны способствуют отделению продуктов окисления от частиц. В результате получается поверхностно модифицированный графит, сохраняющий внутреннюю структуру, что обеспечивает сохранение емкости заложенного производителем графита плюс некий ее прирост за счет поверхностных модификатов. Добиться такого результата удалось благодаря особенности электрического разряда в жидкости. При направлении электроразряда в используемый раствор перекиси водорода образуются гидроксильные радикалы — OH — с высоким окислительным потенциалом из-за его разложения. Подобрав оптимальные условия для переработки графита таким способом, можно удалить из него различные добавки и продукты разложения компонентов электролита, что позволит добиться наилучших электрохимических характеристик переработанного материала, превосходящих исходный графит.

«Предложенный нами метод отличается своей простотой — это одностадийный и менее затратный способ переработки отработанных графитовых анодов с использованием плазменного разряда над поверхностью жидкости при диспергировании (измельчении в порошок) графита», — рассказал научный сотрудник кафедры электрохимии СПбГУ Евгений Белецкий.

В работе использовались ресурсные центры «Нанотехнологии», «Оптические и лазерные методы исследования вещества», «Физические методы исследования поверхности», «Рентгенодифракционные методы исследования» Научного парка СПбГУ. Работа выполнена в рамках стипендии президента РФ № СП-1045.2022.1. «Плазмоэлектрохимическая переработка использованных электродных материалов литий-ионных аккумуляторов для повторного применения в энергозапасающих устройствах».