Nanoingenjörer vid University of California San Diego har utvecklat en energieffektiv återvinningsprocess som återställer använda katoder från förbrukade litiumjonbatterier och får dem att fungera lika bra som nya. Processen går ut på att skörda de nedbrutna katodpartiklarna från ett använt batteri och sedan koka och värmebehandla dem. Forskare byggde nya batterier med hjälp av de regenererade katoderna. Ladda lagringskapacitet, laddningstid och batterilivslängd återställdes alla till sina ursprungliga nivåer.

Detta arbete presenterar en lösning på ett miljöproblem när det gäller litiumjonbatterier:vad man ska göra med dem när de slits ut. Mindre än fem procent av använda litiumjonbatterier återvinns idag.

"Tänk på miljontals ton litiumjonbatteriavfall i framtiden, speciellt med framväxten av elfordon, och utarmningen av värdefulla resurser som litium och kobolt – att bryta mer av dessa resurser kommer att förorena vårt vatten och vår jord. Om vi ​​på ett hållbart sätt kan skörda och återanvända material från gamla batterier, vi kan potentiellt förhindra sådana betydande miljöskador och avfall, " sa Zheng Chen, en professor i nanoteknik vid UC San Diego.

Chen, som är ansluten till Sustainable Power and Energy Center vid UC San Diego, säger att detta arbete också kan ta itu med ekonomiska frågor relaterade till batteriavfall. "Priset på litium, kobolt och nickel har ökat markant. Att återvinna dessa dyra material kan sänka batterikostnaderna, " han sa.

Den nya återvinningsmetoden, publicerades nyligen i Grön kemi , kan användas för att återvinna och återställa ett litiumjonbatteri katodmaterial som kallas litiumkoboltoxid, som används i stor utsträckning i konsumentelektronik, inklusive smartphones och bärbara datorer. Metoden fungerar även på NMC, en populär litiumkatod som innehåller nickel, mangan och kobolt, som används i de flesta elfordon.

Metoden går ut på att först samla in katodpartiklar från förbrukade litiumjonbatterier. Forskare sätter sedan katodpartiklarna under tryck i en varm, alkalisk, lösning som innehåller litiumsalt – den här lösningen kan återvinnas och återanvändas för att bearbeta fler partier. Efteråt, partiklarna genomgår en kort glödgningsprocess där de värms upp till 800 C och kyls sedan mycket långsamt.

Forskare gjorde nya katoder av de regenererade partiklarna och testade dem sedan i batterier som byggdes i labbet. De nya katoderna visade samma energilagringskapacitet, laddningstid och livslängd som originalen.

En intressant sak med denna process, Chen noterade, är att det i huvudsak är samma som används för att tillverka de ursprungliga katodpartiklarna. "Vi kan helt enkelt återställa det nedbrutna materialet genom att sätta det genom samma bearbetningssteg, " han sa.

När ett litiumjonbatteri slits ut, katodmaterialet förlorar en del av sina litiumatomer. Katodens atomstruktur förändras också så att den är mindre kapabel att flytta joner in och ut. Återvinningsprocessen som Chens grupp utvecklade återställer både katodens litiumkoncentration och atomstruktur till sina ursprungliga tillstånd.

Övergripande, återvinningsprocessen använder 5,9 megajoule energi, motsvarande energin i ungefär tre fjärdedelar av en kopp bensin, för att återställa ett kilo katodmaterial. Flera andra katodåtervinningsprocesser för litiumjonbatterier som håller på att utvecklas använder minst dubbelt så mycket energi.

Målet är att optimera denna process för industriell skala. Chens team planerar att arbeta med batteriföretag i Asien. Ett särskilt förbättringsområde är katodskördningssteget, sa Chen. Just nu, partiklarna måste plockas ut manuellt från resten av batteriet. Forskare arbetar med att förenkla detta steg så att hela processen är industriellt gångbar.

Chens team förfinar denna process så att den kan användas för att återvinna alla typer av katodmaterial för litiumjonbatterier, förutom litiumkoboltoxid och litium NMC. "Målet är att göra detta till en allmän återvinningsprocess för alla katoder, " sa Chen. Teamet arbetar också med en process för att återvinna använda anoder.