Представьте, что отработанную батарею из электромобиля или смартфона не нужно полностью разрушать и пересобирать с нуля. Её можно буквально «вылечить» в специальном растворе — и она вернёт себе почти всю исходную ёмкость. Именно это удалось команде из Корнелльского университета. Их метод позволяет восстановить до 95% мощности старых литий-ионных элементов и при этом сократить стоимость переработки на 56% по сравнению с традиционными технологиями.
Десятилетиями индустрия работала по линейной схеме «использовал — выбросил». Отработанные аккумуляторы либо уходили на свалки, где токсичные вещества могли просачиваться в почву или вызывать пожары, либо подвергались жёсткой обработке.
Классические способы — пирометаллургия (высокотемпературная плавка) или гидрометаллургия (обработка агрессивными кислотами) — полностью разрушают структуру электродов. Потом материалы приходится заново синтезировать и изготавливать новые электроды. Это долго, дорого и часто требует импорта, потому что в США не хватает собственной инфраструктуры для всех этапов. А критические минералы — никель, кобальт, литий — ограничены в земной коре, и их добыча связана с геополитическими рисками.
Метод прямой регенерации DEER
Учёные из Корнелла дали вторую жизнь отработанным литий-ионным элементам с помощью специальных «ванны» для батарей.
Исследователи разработали подход под названием прямой регенерации электрод-к-электроду (DEER — Direct Electrode-to-Electrode Regeneration). Отработанные электроды извлекают целыми, сохраняя их прикреплёнными к токосъёмнику, и помещают в отдельную ячейку с электрохимическим раствором — 1,3-диметил-2-имидазолидиноном.
Этот раствор растворяет толстый изолирующий слой — твёрдый электролитный межфазный слой (SEI), который постепенно нарастает между катодом и анодом во время циклов зарядки-разрядки и снижает ёмкость батареи.
«Мы ремонтируем их в исходном виде, без измельчения и превращения в порошок, а затем возвращаем в новую батарею», — говорит Вибха Калра (Vibha Kalra), профессор химической инженерии Корнелльского университета, руководитель проекта.
Растворение этого слоя и позволяет батарее восстановить ёмкость — до 95%. При этом круг оборота материалов сильно укорачивается: не нужно заново синтезировать всё с нуля.
Расчёты и какие перспективы
Технико-экономический и экологический анализ подтвердил: метод DEER снижает затраты на производство переработанных элементов на 56% и заметно уменьшает выбросы вредных загрязнителей воздуха и потребление воды по сравнению с традиционными процессами.
Сейчас метод успешно работает с батареями, сохранившими 70–80% здоровья — это типичный показатель для электромобилей. В будущем учёные хотят расширить его на другие механизмы деградации, например потерю лития, и протестировать на промышленных аккумуляторах крупного масштаба.
Новый подход делает переработку батарей по-настоящему циркулярной. Ресурсы дольше остаются в системе, меньше вреда природе и меньше зависимости от импорта дефицитных минералов. В эпоху стремительного роста электромобильности и систем хранения энергии такие технологии помогают превратить отработанные аккумуляторы из проблемы в ценный ресурс второй жизни.
Исследование опубликовано в журнале Energy & Environmental Science.
