Rice University forskare har bokstavligen en lösning för att hantera överflöd av använda litiumjonbatterier som lämnats kvar av den ständigt ökande efterfrågan på elfordon, mobiltelefoner och andra elektroniska apparater.

Materialforskaren Pulickel Ajayans rislabb använde ett miljövänligt djupt eutektiskt lösningsmedel för att extrahera värdefulla element från metalloxiderna som vanligtvis används som katoder i litiumjonbatterier. Målet, forskare sa, är att begränsa användningen av hårda processer för att återvinna batterier och hålla dem borta från deponier.

Lösningsmedlet, gjord av råvaror kolinklorid och etylenglykol, extraherat mer än 90 procent av kobolt från pulverformiga föreningar, och en mindre men ändå betydande mängd från använda batterier.

"Uppladdningsbart batteriavfall, särskilt från litiumjonbatterier, kommer att bli en allt mer hotfull miljöutmaning i framtiden eftersom efterfrågan på dessa genom deras användning i elfordon och andra prylar ökar dramatiskt, " sa Ajayan.

"Det är viktigt att återvinna strategiska metaller som kobolt som är begränsade i tillgången och är avgörande för prestandan hos dessa energilagringsenheter, "Något att lära av vår nuvarande situation med plast är att det är rätt tillfälle att ha en heltäckande strategi för återvinning av den växande volymen batteriavfall."

Resultaten visas i Naturenergi .

"Detta har försökts tidigare med syror, " sa Rice doktorand och huvudförfattare Kimmai Tran. "De är effektiva, men de är frätande och inte miljövänliga. Som helhet, återvinning av litiumjonbatterier är vanligtvis dyrt och en risk för arbetare."

Andra processer har också nackdelar, Hon sa. Pyrometallurgi innebär krossning och blandning vid extrema temperaturer, och de skadliga ångorna kräver skrubbning. Hydrometallurgi kräver frätande kemikalier, medan andra "gröna" lösningsmedel som extraherar metalljoner ofta kräver ytterligare medel eller högtemperaturprocesser för att fånga upp dem fullt ut.

"Det fina med detta djupa eutektiska lösningsmedel är att det kan lösa upp en mängd olika metalloxider, " sa Tran. "Den är bokstavligen gjord av en kycklingfodertillsats och en vanlig plastprekursor som när de blandas i rumstemperatur, bilda en tydlig, relativt giftfri lösning som har effektiva lösningsegenskaper."

Ett djupt eutektiskt lösningsmedel är en blandning av två eller flera föreningar som fryser vid temperaturer mycket lägre än var och en av dess prekursorer. På det sättet, Hon sa, man kan bokstavligen få en vätska från en enkel kombination av fasta ämnen.

"Den stora sänkningen av frys- och smältpunkter beror på de vätebindningar som bildas mellan de olika kemikalierna, " sa Tran. "Genom att välja rätt prekursorer, billiga "gröna" lösningsmedel med intressanta egenskaper kan tillverkas."

När Tran gick med, Rice-gruppen testade redan en eutektisk lösning som en elektrolyt i nästa generations högtemperatursuperkondensatorer.

"Vi försökte använda den i metalloxidsuperkondensatorer, och det löste upp dem, " sa Rice-forskaren och medförfattaren Babu Ganguli. "Färgen på lösningen skulle förändras."

Eutektiken drog joner från superkondensatorns nickel.

"Vårt team diskuterade detta och vi insåg snart att vi kunde använda vad som ansågs vara en nackdel för elektrolyter som en fördel för att lösa upp och återvinna förbrukade litiumbatterier, sa Ganguli.

Det blev Transs fokus, när hon testade djupa eutektiska lösningsmedel på metalloxider vid olika temperaturer och tidsskalor. Under tester med litiumkoboltoxidpulver, det klara lösningsmedlet gav ett brett spektrum av blågröna färger som indikerade närvaron av kobolt löst inuti.

Vid 180 grader Celsius (356 grader Fahrenheit), lösningsmedlet extraherade nästan 90 procent av litiumjonerna, och upp till 99 procent av koboltjonerna från pulvret när vissa villkor var uppfyllda.

Forskarna byggde små prototypbatterier och cyklade dem 300 gånger innan de exponerade elektroderna för samma förhållanden. Lösningsmedlet visade sig vara skickligt på att lösa upp kobolt och litium samtidigt som det separerade metalloxiderna från de andra föreningarna som fanns i elektroden.

De fann att kobolt kunde återvinnas från den eutektiska lösningen genom utfällning eller till och med elektroplätering till ett stålnät, eftersom denna senare metod möjligen möjliggjorde att själva det djupa eutektiska lösningsmedlet kunde återanvändas.

"Vi fokuserade på kobolt, " sa risalumnen Marco Rodrigues, nu postdoktor vid Argonne National Laboratory. "Från resurssynpunkt, det är den mest kritiska delen. Batteriet i din telefon kommer säkert att ha massor av det. Litium är också mycket värdefullt, men i synnerhet kobolt är inte bara miljömässigt knapphändig utan också, ur social synvinkel, svår att få."

Han noterade att departementet för energi gör nya ansträngningar för att främja batteriåtervinningsteknik och tillkännagav nyligen ett center för återvinning av litiumjonbatterier.

Vägen framåt kommer att kräva fortsatta ansträngningar.

"Det är troligt att vi inte kommer att kunna återvinna och ersätta gruvdrift helt, " sade Tran. "Dessa teknologier är relativt nya, och det finns mycket optimering som måste göras, som att utforska andra djupa eutektiska lösningsmedel, men vi tror verkligen på potentialen för grönare sätt att göra smutsig kemi. Hållbarhet ligger i hjärtat av mitt arbete och vad jag vill göra under resten av min karriär."