Forskare vid University of California San Diego har förbättrat sin återvinningsprocess som regenererar nedbrutna katoder från förbrukade litiumjonbatterier. Den nya processen är säkrare och använder mindre energi än deras tidigare metod för att återställa katoder till sin ursprungliga kapacitet och cykelprestanda.

Zheng Chen, en professor i nanoteknik som är knuten till Sustainable Power and Energy Center vid UC San Diego, ledde projektet. Verket publicerades i Avancerade energimaterial .

"På grund av den snabba tillväxten av elfordonsmarknader, den världsomspännande tillverkningskapaciteten för litiumjonbatterier förväntas nå hundratals gigawattimmar per år under de kommande fem åren, ", sade Chen. "Detta arbete presenterar en lösning för att återta värdena för uttjänta litiumjonbatterier efter 5 till 10 års drift."

Chens team utvecklade tidigare en direkt återvinningsmetod för att återvinna och regenerera nedbrutna katoder. Det fyller på litiumjoner som katoder förlorar vid långvarig användning och återställer deras atomära strukturer tillbaka till sina ursprungliga tillstånd. Dock, den processen innebär att en varm litiumsaltlösning av katodpartiklar trycksätts till cirka 10 atmosfärer. Problemet är att detta trycksättningssteg ökar kostnaderna och kräver extra säkerhetsåtgärder och specialutrustning, sa Chen.

Så teamet utvecklade en mildare process för att göra samma jobb vid omgivningstryck (1 atmosfär). Nyckeln var att använda eutektiska litiumsalter - en blandning av två eller flera salter som smälter vid temperaturer mycket lägre än någon av dess komponenter. Denna kombination av fasta litiumsalter ger en lösningsmedelsfri vätska som forskare kan använda för att lösa nedbrutna katodmaterial och återställa litiumjoner utan att lägga till något extra tryck i reaktorerna.

Den nya återvinningsmetoden går ut på att samla in katodpartiklar från förbrukade litiumjonbatterier och sedan blanda dem med en eutektisk litiumsaltlösning. Blandningen värmebehandlas sedan i två steg:den värms först till 300 C, sedan går den igenom en kort glödgningsprocess där den värms upp till 850 C i flera timmar och kyls sedan naturligt.

Forskare använde metoden för att regenerera NMC (LiNi _0,5 Mn _0,3 Co _0,2 ), en populär katod som innehåller nickel, mangan och kobolt, som används i många av dagens elfordon.

"Vi gjorde nya katoder av de regenererade partiklarna och testade dem sedan i batterier byggda i labbet. De regenererade katoderna visade samma kapacitet och cykelprestanda som originalen, " sa Yang Shi, den första författaren som utförde detta arbete som postdoktor i Chens labb vid UC San Diego.

"I ett uttjänt litiumjonbatteri, katodmaterialet förlorar en del av sitt litium. Katodens kristallstruktur förändras också så att den är mindre kapabel att flytta joner in och ut. Återvinningsprocessen som vi utvecklade återställer både katodens litiumkoncentration och kristallstruktur till sina ursprungliga tillstånd, " sa Shi.

Teamet ställer in denna process så att den kan användas för att återvinna alla typer av katodmaterial som används i litiumjon- och natriumjonbatterier.

"Målet är att göra detta till en universell återvinningsprocess för alla katodmaterial, " sa Chen. Teamet arbetar också med en process för att återvinna nedbrutna anoder, såsom grafit samt andra material.

Chen samarbetar också med UC San Diego nanoteknikprofessor Shirley Meng, som är chef för Sustainable Power and Energy Center, för att identifiera subtila förändringar i katodmikrostrukturen och den lokala sammansättningen med hjälp av högupplösta mikroskopiska bildverktyg.