Чжэн Чен, профессор наноинженерии, работающий в Центре устойчивой энергетики и энергетики Калифорнийского университета в Сан-Диего, возглавил проект. Работа опубликована в Advanced Energy Materials.
«В связи с быстрым ростом рынков электромобилей ожидается, что мировые производственные мощности литий-ионных аккумуляторов достигнут сотен гигаватт-часов в год в следующие пять лет», – сказал Чен. «Эта работа представляет собой решение для восстановления показателей срока службы литий-ионных батарей после 5-10 лет эксплуатации."
Команда Чена ранее разработала метод прямой рециркуляции для рециркуляции и регенерации деградированных катодов. Он восполняет запасы ионов лития, которые катоды теряют при длительном использовании, и восстанавливает их атомные структуры обратно в исходное состояние. Однако этот процесс включает в себя повышение давления в горячем растворе литиевой соли катодных частиц примерно до 10 атмосфер.
Проблема в том, что этот этап повышения давления увеличивает расходы и требует дополнительных мер безопасности и специального оборудования, – сказал Чен.
Поэтому команда разработала более мягкий процесс, чтобы выполнять ту же работу при атмосферном давлении (1 атмосфера). Ключевым моментом было использование эвтектических солей лития – смеси двух или более солей, которая плавится при температурах намного ниже, чем любой из ее компонентов.
Эта комбинация твердых солей лития дает жидкость без растворителя, которую исследователи могут использовать для растворения разрушенных катодных материалов и восстановления ионов лития без добавления дополнительного давления в реакторах.
Новый метод переработки включает сбор катодных частиц из отработанных литий-ионных аккумуляторов с последующим их смешиванием с эвтектическим раствором литиевой соли.
Затем смесь подвергается термообработке в два этапа: сначала она нагревается до 300 C, затем проходит короткий процесс отжига, в ходе которого она нагревается до 850 C в течение нескольких часов, а затем охлаждается естественным путем.
Исследователи использовали этот метод для регенерации NMC (LiNi0.5Mn0.3Co0.2), популярный катод, содержащий никель, марганец и кобальт, который используется во многих современных электромобилях.
«Мы сделали новые катоды из регенерированных частиц, а затем протестировали их в батареях, встроенных в лабораторию. Регенерированные катоды показали ту же емкость и рабочие характеристики цикла, что и оригиналы », – сказал Ян Ши, первый автор, который выполнил эту работу в качестве постдокторского исследователя в лаборатории Чена в Калифорнийском университете в Сан-Диего.
"В литий-ионной батарее с истекшим сроком службы катодный материал теряет часть своего литиевого.
Кристаллическая структура катода также изменяется, так что он менее способен перемещать ионы внутрь и наружу. «Процесс переработки, который мы разработали, восстанавливает как концентрацию лития на катоде, так и кристаллическую структуру обратно в их исходное состояние», – сказал Ши.
Команда настраивает этот процесс так, чтобы его можно было использовать для переработки любого типа катодных материалов, используемых в литий-ионных и натрий-ионных аккумуляторах.
«Наша цель – сделать это универсальным процессом переработки всех катодных материалов», – сказал Чен. Команда также работает над процессом переработки деградированных анодов, таких как графит, а также других материалов.
Чен также сотрудничает с профессором наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего Ширли Мэн, которая является директором Центра устойчивой энергетики и энергетики, чтобы выявить тонкие изменения в микроструктуре катода и локальном составе с помощью инструментов микроскопии высокого разрешения.