Учёные из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали процесс апсайклинга отработанных LFP-аккумуляторов

Репортаж от Wedoany，Исследовательская группа из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработала процесс переработки, позволяющий напрямую преобразовывать материалы отработанных литий-железо-фосфатных (LFP) аккумуляторов в катоды из литий-марганец-железо-фосфата (LMFP). В результате переработанные батареи обладают более высокой энергоёмкостью, чем исходные изделия, сохраняя при этом безопасность и длительный цикл жизни LFP-аккумуляторов.

LFP-аккумуляторы занимают почти половину мирового рынка литий-ионных батарей и широко используются в электромобилях и крупных системах накопления энергии. По мере приближения большого количества батарей к выводу из эксплуатации, эффективные и экологичные методы переработки становятся всё более актуальными. Традиционные методы переработки основаны на высоких температурах или агрессивных химикатах, что приводит к высокому энергопотреблению и образованию большого количества отходов и выбросов. Первый автор исследования, постдокторант из лаборатории Чэнь Чжэна в Калифорнийском университете в Сан-Диего, Вэй Ли (Wei Li), отмечает, что такие процессы не являются экологичными.

Ранее команда уже добилась восстановления отработанных LFP-материалов до состояния свежих LFP-материалов, однако химический состав при этом не менялся. Новый метод позволяет модернизировать катод до LMFP, который способен накапливать больше энергии, обеспечивая более ценное конечное применение для отработанных батарей. Руководитель исследования Чэнь Чжэн добавил, что такой апсайклинг может сделать выведенные из эксплуатации батареи более экономически выгодными.

Процесс переработки начинается с разборки аккумуляторного блока и извлечения внутреннего рулона. Исследователи разрезают слои рулона на листы, замачивают их в воде и слегка встряхивают, чтобы отделить покрытие катода от алюминиевой фольги, которую также можно переработать отдельно. Отделённый катодный материал высушивается, измельчается в мелкий чёрный порошок, после чего к нему добавляются литий, марганец и фосфат в качестве прекурсоров для LMFP.

Основная проблема заключалась в том, что добавляемые соли несовместимы с кристаллической структурой исходного LFP-материала. Прямое смешивание приводит к неравномерному распределению атомов и снижению электрохимических характеристик. Для решения этой проблемы команда сначала приготовила промежуточное соединение — литий-марганец-фосфат (LMP), кристаллическая структура которого схожа с LFP. После тонкого измельчения и смешивания порошков их нагревают. LMP сначала формируется и равномерно смешивается с LFP, атомы марганца постепенно замещают часть железа, образуя однородную структуру LMFP. На поверхности каждой частицы также образуется тонкий слой углерода, который повышает электропроводность и защищает материал от деградации в ходе многочисленных циклов заряда-разряда.

Модернизированный LMFP-материал показал хорошие результаты как в лабораторных кнопочных элементах, так и в мягких аккумуляторах, имитирующих реальные условия эксплуатации, которые более приближены к условиям использования в электромобилях и крупных системах накопления энергии. Исследователи протестировали процесс на отработанных LFP-аккумуляторах от разных производителей и масштабировали его до килограммового уровня. Команда планирует дальнейшее повышение эффективности процесса, а также улучшение состава и структуры материалов для подготовки к крупномасштабной переработке.

Исследование опубликовано в журнале «Joule».