Революция в аккумуляторах электромобилей: они восстанавливают до 95% своей емкости с помощью простой процедуры

Одной из серьезных проблем, возникающих, когда аккумулятор истощает срок своей службы, является то, что большинство существующих методов переработки предполагают его уничтожение для извлечения материалов. Группа исследователей из Корнельского университета предложила совершенно иной подход: вместо того чтобы демонтировать электроды для преобразования их в сырье, они пытаются восстановить их работоспособность и снова использовать. Метод, названный DEER, позволил в ходе проведенных тестов восстановить до 95% первоначальной емкости аккумулятора.

Ключ к проблеме кроется в одном из распространённых механизмов разрушения литиевых аккумуляторов. С каждым циклом зарядки и разрядки на электродах накапливается слой, известный как SEI — твёрдая интерфейсная плёнка, выполняющая важную функцию для работы аккумулятора. Однако со временем она становится слишком толстой, что затрудняет движение электронов. По мере утолщения этого слоя растёт сопротивление, и доступная емкость начинает снижаться.

Исследователи из Корнеллского университета разработали процесс под названием Direct Electrode-to-Electrode Regeneration (DEER), который действует именно на этый слой. Для этого они извлекают электроды из использованных элементов, сохраняя их целостность, и помещают их в электрохимическую среду, содержащую 1,3-диметил-2-имидазолидинон, известный как DMI. Это вещество позволяет растворить значительную часть накопившейся интерфейсной пленки без разрушения структуры электрода.

После обработки электроды могут быть снова использованы для изготовления новой ячейки. Это важное отличие от традиционной переработки, при которой аккумуляторы измельчаются и превращаются в смесь, называемую черной массой. Из нее путем процессов при высоких температурах или химической обработки извлекают такие материалы, как литий, никель, кобальт, марганец, медь или алюминий, но оригинальные электроды исчезают в процессе.

Результаты, полученные Корнеллским университетом, особенно интересны. Клетки, восстановленные с помощью технологии DEER, восстановили до 95% своей первоначальной емкости, к тому же их старение происходило медленнее, чем у использованных батарей, которые не проходили такой обработки. В ходе тестов потеря емкости снизилась с 0,072% за цикл у деградировавших клеток, не подвергнутых восстановлению, до 0,042% за цикл после обработки. Это замедление старения сохранялось примерно 800 циклов, прежде чем скорость снова начала расти.

Этот эксперимент также открывает возможность использования одних и тех же электродов в течение нескольких сроков службы. Исследователи провели вторую обработку аккумулятора, который уже был восстановлен, и смогли вернуть примерно 90% его первоначальной емкости. Это не означает, что любой аккумулятор может проходить этот процесс бесконечно, но демонстрирует, что восстановление возможно при том, что основной проблемой является накопление определенного слоя на электродах.

И вот здесь появляется одно из самых интересных приложений для электромобилей. Корнелл проводил исследования с аккумуляторами, уровень здоровья которых составлял от 70% до 80%, что может совпадать с моментом, когда аккумулятор перестаёт соответствовать определённым требованиям автомобиля. Однако потеря емкости аккумулятора не обязательно означает повреждение его электродов. Если ухудшение обусловлено в основном накоплением веществ на интерфейсе, всё ещё может оставаться значительная часть материала, которую можно восстановить.

Это не означает, что технология DEER заменит традиционную переработку. У этого метода довольно узкая сфера применения. Если аккумулятор понес ущерб из-за потери лития, трещин на частицах, структурных повреждений или механических проблем, удаление верхнего слоя не решит проблему. В таких случаях по-прежнему потребуются процессы, способные извлечь материалы из поврежденного аккумулятора.

Кроме того, существует ещё одно серьезное препятствие на пути внедрения этой технологии в серийные электромобили. Исследователи обнаружили, что прямое введение DMI в целую элементную ячейку не приносит хороших результатов. Необходимо демонтировать аккумулятор, извлекать электроды, обрабатывать их и мыть перед повторным использованием. То, что работает в лабораторных условиях, должно превратиться в безопасный, воспроизводимый промышленный процесс, способный обрабатывать большие объемы аккумуляторов.

Экономическая сторона также заслуживает внимания. Согласно исследованию, производство переработанных аккумуляторных элементов с использованием метода DEER обойдётся примерно в 15,25 доллара за килограмм, тогда как с использованием пирометаллургического метода — в 26,31 доллара за килограмм. Исходя из обменного курса на 21 сентября 2026 года, это соответствует примерно 13,3 евро за килограмм по сравнению с 22,9 евро за килограмм. Анализ Корнельского университета также показывает сокращение затрат на производство переработанных аккумуляторных элементов на 56% по сравнению с традиционными методами.

Но есть один важный момент, о котором стоит упомянуть. DMI составляет примерно 63% от стоимости процесса в опубликованной оценке, причем при расчетах пока не учитывается его восстановление для повторного использования. Если промышленность сможет эффективно восстанавливать и повторно использовать этот соединение, экономика всей системы может улучшиться, хотя это потребуется доказать в реальных условиях, а не только в лаборатории.

На данный момент следующим шагом для команды Корнелла является тестирование устройства DEER с батареями большего размера, взятыми из реальных устройств, а также попытка решения проблем других механизмов деградации, таких как потеря лития. Если им удастся преодолеть эти препятствия, эта идея может изменить наше понимание переработки батарей: не всегда придётся ждать до конца срока службы, чтобы извлечь их материалы, поскольку в некоторых случаях будет более целесообразно сначала отремонтировать то, что ещё можно использовать.

Источник | Pubs.rsc.org