Ученые раскрыли скрытую причину критической потери металла при переработке литиевых аккумуляторов. Новое исследование показывает, что загрязнение алюминием удерживает важные металлы внутри катодов батарей и препятствует переработке литиевых аккумуляторов на атомном уровне.
Используя передовые методы визуализации и квантового моделирования, команда ученых из Гонконгского университета науки и технологии обнаружила, что алюминий заменяет атомы кобальта в никель–кобальт–марганцевых катодах. Такая замена удерживает металлы на месте, образуя сверхстабильные связи алюминий-кислород. В результате ключевые материалы, такие как никель, кобальт и марганец, становится труднее извлекать с помощью кислотных растворителей, обычно используемых на заводах по переработке аккумуляторов.
Чтобы раскрыть этот механизм, ученые использовали электронную микроскопию высокого разрешения для наблюдения за атомами алюминия, расположенными внутри кристаллических решеток катода. Они сопоставили это с моделированием по теории функционала плотности, чтобы понять, как эти атомы ведут себя на атомном уровне. Результаты показали, что алюминий удерживает атомы кислорода и стабилизирует структуру таким образом, что препятствует выщелачиванию металла. То, что казалось незначительной примесью, теперь изменяет поведение материала изнутри. “Мы показали, что даже незначительное количество загрязнений алюминием может коренным образом изменить поведение материалов NCM в системах вторичной переработки”, - указывают исследователи. “Это требует изменения парадигмы в том, как мы справляемся с загрязнениями при переработке батарей”.
Как сообщается в отчете Гонконгского университета науки и технологии о проведенных исследованиях, их результаты опровергают устоявшиеся представления о переработке аккумуляторов, показывая, что загрязнение алюминием - это не просто незначительное неудобство, а химический барьер, препятствующий восстановлению металла. Эффект настолько силен, что зависит от используемого растворителя. Так, в муравьиной кислоте алюминий замедляет выделение металлов. В аммиаке он ускоряет это. В эвтектических растворителях результат непредсказуем.
Ученые из Гонконгского университета науки и технологии указывают, что результаты исследования выходят далеко за рамки лабораторных наблюдений. По мере роста спроса на электромобили и аккумуляторы с использованием возобновляемых источников энергии все большее значение приобретает эффективная переработка отходов. Извлечение большего количества металла из использованных аккумуляторов может сократить потребность в добыче полезных ископаемых и снизить экологические издержки производства аккумуляторов. Разрушительная роль алюминия также вызывает вопросы о том, как утилизируются отработанные батарейки в промышленных масштабах. Механическое измельчение, являющееся распространенным первым этапом переработки, может привести к большему загрязнению, чем считалось ранее. Исследование также показывает, что даже микроскопическое трение об алюминиевую фольгу может привести к высвобождению достаточного количества материала, препятствующего извлечению металла. Это говорит о том, что переработчикам, возможно, придется пересмотреть методы демонтажа батареек и внедрить методы обработки, которые ограничивают нежелательное взаимодействие материалов. В сочетании с целенаправленными стратегиями по поиску наиболее эффективных растворителей эти изменения могут помочь в создании более быстрых и чистых систем переработки отходов.
Ученые из Гонконгского университета науки и технологии уверены, что, отслеживая поведение примесей и соответствующим образом настраивая системы переработки растворителей, переработчики могут повысить извлечение металла и сократить количество отходов.
Результаты исследований опубликованы в журнале Advanced Science.