Professor Gisele Azimi och doktorand Jiakai (Kevin) Zhang har föreslagit en ny, mer hållbar metod för att återvinna värdefulla metaller från litiumjonbatterier som har nått slutet av sin livslängd. Kredit:Safa Jinje
En forskare från University of Toronto har utvecklat en ny teknik för att hjälpa till att återvinna metallerna i litiumjonbatterier, som är mycket efterfrågade i den globala försäljningen av elfordon.
Gisele Azimi, professor vid institutionerna för materialvetenskap och teknik och kemiteknik och tillämpad kemi vid fakulteten för tillämpad vetenskap och teknik, och hennes team har föreslagit en ny, mer hållbar metod för att bryta värdefulla metaller – inklusive litium, men också kobolt , nickel och mangan – från litiumjonbatterier som har nått slutet av sin livslängd.
"Att få dessa metaller från rå malm tar mycket energi", säger Jiakai (Kevin) Zhang, en Ph.D. kandidat i kemiteknik och tillämpad kemi som är huvudförfattare till en ny artikel som nyligen publicerats i Resources, Conservation and Recycling .
"Om vi återvinner befintliga batterier kan vi upprätthålla den begränsade leveranskedjan och hjälpa till att sänka kostnaderna för elbilsbatterier, vilket gör fordonen mer överkomliga."
En del av Kanadas åtagande att nå nettonollutsläpp till 2050 inkluderar ett obligatoriskt mål som kräver att 100 procent av nya lätta personbilar och personbilar som säljs i landet ska vara elektriska till 2035.
För att uppnå detta mål krävs en ökning av tillgången på kritiska metaller, vars pris redan är mycket högt. Till exempel är kobolt, en nyckelingrediens i katodproduktionen av litium-nickel-mangan-kobolt-oxid-batterier (vanligtvis förkortade som NMC) som ofta används i elbilar, också en av de dyraste komponenterna i litiumjonbatterier på grund av dess begränsad reserv.
"Vi är på väg att nå en punkt där många litiumjonbatterier närmar sig slutet på livet", säger Azimi. "Dessa batterier är fortfarande mycket rika på intressanta element och kan ge en avgörande resurs för återhämtning."
Återvinning kan inte bara ge dessa material till en lägre kostnad, utan det minskar också behovet av att bryta rå malm som kommer med miljömässiga och etiska kostnader.
Den förväntade livslängden för elbilsbatterier är från 10 till 20 år, men de flesta biltillverkare ger bara en garanti på åtta år eller 160 000 kilometer – beroende på vad som kommer först. När elbilsbatterier når slutet av sin livslängd kan de renoveras för andra liv eller återvinnas för att återvinna metaller. Men idag kasseras många batterier på ett felaktigt sätt och hamnar på soptippen.
"Om vi fortsätter att bryta litium, kobolt och nickel för batterier och sedan bara deponerar dem vid slutet av livslängden, kommer det att bli en negativ miljöpåverkan, särskilt om korrosiv elektrolytläckage inträffar och förorenar underjordiska vattensystem", säger Zhang.
Konventionella processer för återvinning av litiumjonbatterier är baserade på pyrometallurgi, som använder extremt höga temperaturer, eller hydrometallurgi, som använder syror och reduktionsmedel för extraktion. Dessa två processer är båda energikrävande:pyrometallurgi ger utsläpp av växthusgaser, medan hydrometallurgi skapar avloppsvatten som behöver bearbetas och hanteras.
Däremot använder Azimis labbgrupp extraktion av superkritisk vätske för att återvinna metaller från uttjänta litiumjonbatterier. Denna process separerar en komponent från en annan genom att använda ett extraherande lösningsmedel vid en temperatur och ett tryck över dess kritiska punkt, där den antar egenskaperna hos både en vätska och en gas.
För att återvinna metallerna använde Zhang koldioxid som lösningsmedel, som fördes till en superkritisk fas genom att temperaturen ökade över 31ºC och trycket upp till 7 megapascal.
I uppsatsen visade teamet att denna process matchade extraktionseffektiviteten för litium, nickel, kobolt och mangan till 90 % jämfört med de konventionella lakningsprocesserna, samtidigt som den använde färre kemikalier och genererade betydligt mindre sekundärt avfall. Faktum är att den huvudsakliga energikällan som förbrukades under den superkritiska vätskeextraktionen berodde på komprimeringen av CO2 .
– Fördelen med vår metod är att vi använder koldioxid från luften som lösningsmedel istället för mycket farliga syror eller baser, säger hon. "Koldioxid är rikligt, billigt och inert, och det är också lätt att hantera, ventilera och återvinna."
Extrakritisk vätskeextraktion är ingen ny process. Det har använts i livsmedels- och läkemedelsindustrin för att extrahera koffein från kaffebönor sedan 1970-talet. Azimi och hennes teams arbete bygger på tidigare forskning i Laboratory for Strategic Materials för att återvinna sällsynta jordartsmetaller från nickel-metallhydrid-batterier.
Det är dock första gången som den här processen har använts för att återvinna metaller från litiumjonbatterier, säger hon.
"Vi tror verkligen på framgången och fördelarna med denna process", säger Azimi.
"Vi går nu mot kommersialisering av denna metod för att öka dess tekniska beredskapsnivå. Vårt nästa steg är att slutföra partnerskap för att bygga industriella återvinningsanläggningar för sekundära resurser. Om det är aktiverat skulle det vara en stor spelförändring." + Utforska vidare
