Революція акумуляторів електромобілів: вони відновлюють до 95% своєї ємності за допомогою простої процедури
Однією з серйозних проблем, коли акумулятор досягає кінця свого терміну служби, є те, що більшість сучасних процесів переробки передбачають його знищення для отримання матеріалів. Команда дослідників з Університету Корнелл запропонувала зовсім іншу альтернативу: замість розбирання електродів для перетворення їх на сировину вони намагаються безпосередньо відновити їхню функціональність та знову використати їх. Метод, названий DEER, під час проведених тестів дозволив відновити до 95% початкової ємності акумулятора.
Ключ до проблеми криється у одному зі звичайних механізмів деградації літійових акумуляторів. З кожним циклом заряджання та розряджання на електродах накопичується шар, відомий як SEI — тверда інтерфейсна плівка, яка виконує необхідну функцію для роботи акумулятора, але з часом стає занадто товстою та ускладнює рух електронів. Коли цей шар стає товстішим, зростає опір, і доступна ємність починає знижуватися.
Дослідники з Корнельського університету розробили процес під назвою Direct Electrode-to-Electrode Regeneration (DEER), який діє саме на цей шар. Для цього вони виймають електроди з використаних клітин, залишаючи їх недоторканими, та поміщають їх у електрохімічну ванну, яка містить 1,3-диметил-2-імідазолідинон, відомий як DMI. Ця сполука дозволяє розчинити значну частину накопиченої інтерфейсної шару, не пошкоджуючи структуру електрода.
Після обробки електроди можна знову використовувати для створення нової батареї. Це важлива відмінність від традиційної переробки, під час якої акумулятори подрібнюються та перетворюються на суміш, відому як чорна маса. З неї за допомогою процесів при високих температурах або хімічної обробки видобувають такі матеріали, як літій, нікель, кобальт, марганець, мідь чи алюміній, проте оригінальні електроди зникають під час цього процесу.
Результати, отримані Корнеллом, є особливо цікавими. Клітини, відновлені за допомогою методу DEER, повернули до 95% своєї початкової ємності, крім того вони демонстрували повільніше зношування порівняно з використаними акумуляторами, які не проходили цього оброблення. Під час тестів втрата ємності зросла з 0,072% за цикл у клітинах, що зносилися без відновлення, до 0,042% за цикл після обробки. Це менше зношування тривало приблизно 800 циклів, перш ніж швидкість знову почала зростати.
Експеримент також відкриває можливість для багаторазового використання одних і тих самих електродів. Дослідники провели другу обробку акумулятора, який вже був відновлений, і змогли повернути приблизно 90% його початкової ємності. Це не означає, що будь-який акумулятор може нескінченно проходити цей процес, але це демонструє, що відновлення можна повторювати, коли основною проблемою є накопичення цього шару на електродах.
І ось тут з’являється один із найцікавіших додатків для електромобілів. Корнелл працював із акумуляторами, які мали рівень здоров’я від 70% до 80%, що може збігатися з моментом, коли акумулятор вже не підходить для певних вимог автомобіля. Однак те, що акумулятор втратив свою ємність, не означає обов’язково, що його електроди зруйновані. Якщо погіршення виникає переважно через накопичення на інтерфейсі, все ще може залишатися значна частина матеріалу, яку можна відновити.
Це не означає, що DEER замінить традиційне перероблення. Цей метод має досить вузьку сферу застосування. Якщо акумулятор зазнав втрати літію, пошкоджених частинок, структурних ушкоджень або механічних проблем, видалення поверхневого шару не вирішить проблеми. У таких випадках все одно знадобляться процеси, здатні вилучити матеріали з пошкодженого акумулятора.
Крім того, існує ще одна значна перешкода на шляху впровадження цієї технології у серійні електромобілі. Дослідники виявили, що пряме введення DMI у недоторкану елементну батарею не дає хороших результатів. Необхідно розбирати акумулятор, виймати електроди, обробляти та мити їх перед повторним використанням. Те, що працює в лабораторії, має перетворитися на безпечний, відтворюваний промисловий процес, здатний обробляти великі кількості акумуляторів.
Економічна складова також є привабливою. Дослідження показує, що виробництво перероблених акумуляторних елементів за допомогою методу DEER коштуватиме близько 15,25 доларів за кілограм, на відміну від 26,31 долара при використанні пірометалургії. Якщо взяти за основу курс обміну від 21 вересня 2026 року, це становитиме приблизно 13,3 євро за кілограм проти 22,9 євро за кілограм. Аналіз Корнельського університету також прогнозує зниження вартості виробництва перероблених акумуляторних елементів на 56% порівняно з традиційними методами.
Але є один важливий дрібний момент. DMI становить близько 63% вартості процесу у оприлюдненій оцінці, і розрахунок ще не враховує його повернення для подальшого використання. Якщо промисловість зможе ефективно відновити та повторно використати цей сполук, економіка системи може покращитися, хоча це доведеться підтвердити поза лабораторними умовами.
Наразі наступним кроком для команди Корнелл є тестування DEER із акумуляторами більшого розміру, отриманими з реальних пристроїв, а також спроба вирішити інші проблеми деградації, такі як втрата літію. Якщо їм вдасться подолати ці перешкоди, ця ідея може змінити наше розуміння переробки акумуляторів: не завжди доведеться чекати до кінця, щоб отримати матеріали з них, адже в деяких випадках буде доцільніше спочатку полагодити те, що все ще можна використовувати.
Джерело | Pubs.rsc.org