Baterie litowo-jonowe (Li-ion) dominują na rynku jako główny wybór dla wysokowydajnej elektroniki osobistej, pojazdów elektrycznych i rozwiązań pamięci masowej w skali sieciowej. Aby osiągnąć przyszłe cele związane z czystą energią, naukowcy muszą opracować bezpieczne i zrównoważone procesy recyklingu tych baterii.
Według badań przeprowadzonych przez Instytut Technologii w Rochester szacuje się, że do roku 2040 około 2,9 mln akumulatorów litowo-jonowych do samych pojazdów elektrycznych osiągnie koniec swojej użyteczności i nie będzie już działać z maksymalną wydajnością – określaną jako koniec okresu eksploatacji. Narodowe Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL) ściga się z czasem, aby zoptymalizować procesy recyklingu, aby utrzymać stabilność łańcucha dostaw litowo-jonowych i złagodzić zagrożenia dla środowiska związane z utylizacją tych baterii poprzez poprawę integralności materiałów pochodzących z recyklingu.
Budowanie zrównoważonego przemysłu recyklingu
Aby poprawić łatwość i możliwość recyklingu akumulatorów litowo-jonowych, NREL współpracuje z Argonne National Laboratory (ANL), Oak Ridge National Laboratory i kilkoma uniwersytetami w ramach Centrum ReCell Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych. W ramach tej współpracy NREL przyczynia się do rozwoju technologii relitacji katod, usuwania i odzyskiwania spoiwa, oczyszczania czarnej masy, analizy łańcucha dostaw i technik analizy termicznej. Na poparcie tych badań NREL i ANL opublikowały niedawno badanie (wymagana subskrypcja) w „Journal of Power Sources”, w którym zademonstrowano nowe podejście do identyfikacji zanieczyszczeń metalicznych i zanieczyszczeń, które utrudniają istniejące metody recyklingu.
Gospodarka o obiegu zamkniętym dla materiałów energetycznych
Gospodarka o obiegu zamkniętym dla materiałów energetycznych zmniejsza ilość odpadów i chroni zasoby poprzez projektowanie materiałów i produktów z myślą o ponownym wykorzystaniu, recyklingu i upcyklingu od samego początku.
– Nasze badania nad recyklingiem baterii skupiają się na bezpośrednim recyklingu w celu ponownego wykorzystania produktów o wartości dodanej – powiedział Matt Keyser, starszy inżynier ds. magazynowania energii. – Przykładowo odnawiamy i przetwarzamy stare materiały katodowe do wykorzystania w przyszłych bateriach, ale konstrukcje baterii litowych nie są monolityczne i wciąż pozostaje wiele do zrobienia – dodaje.
Badacz Kae Fink kieruje rozwojem technologii bezpośredniego recyklingu akumulatorów litowo-jonowych w NREL. Dennis Schroeder, NREL
Recykling bezpośredni obejmuje najpierw rozdrabnianie baterii w celu oddzielenia jej elementów bez naruszania struktury chemicznej materiałów aktywnych. Uzyskany materiał, często nazywany czarną masą, jest idealny do odzyskiwania, regeneracji i ponownego wykorzystania w projektach akumulatorów. Jednak proces rozdrabniania może wprowadzić zanieczyszczenia metaliczne do elektrod poddanych recyklingowi. Powstałe zanieczyszczenia stanowią wyzwanie dla firm zajmujących się recyklingiem, hamując wydajność akumulatorów poddanych recyklingowi.
Zintegrowane podejście do wykrywania zanieczyszczeń
Aby wskazać te zanieczyszczenia, NREL i ANL połączyły analizę elektrochemiczną z mikrokalorymetrią izotermiczną w celu zidentyfikowania charakterystycznych „odcisków palców” dla każdego zanieczyszczenia metalicznego, w tym żelaza, aluminium, miedzi, krzemu i magnezu. To synergiczne podejście pozwala naukowcom potwierdzić obecność zanieczyszczeń i ocenić wpływ każdego zanieczyszczenia metalicznego na ogólną wydajność elektrod pochodzących z recyklingu.
– To nowatorskie podejście pomoże wykryć unikalne sygnały dla każdego z tych zanieczyszczeń – powiedział Kae Fink, naukowiec zajmujący się magazynowaniem energii z NREL, który kieruje pracami nad rozwojem technologii bezpośredniego recyklingu akumulatorów litowo-jonowych. – W rezultacie naukowcy mogą rozróżniać problematyczne domieszki, takie jak aluminium lub miedź, i opracowywać konkretne metody, aby spełnić normy czystości dla materiałów z akumulatorów pochodzących z recyklingu – dodaje.
Odkrycia te uwalniają potencjał optymalizacji metod bezpośredniego recyklingu poprzez wskazanie, które zanieczyszczenia są najbardziej problematyczne w materiałach pochodzących z recyklingu oraz informowanie o strategiach remediacji i ponownego oczyszczania w celu usunięcia zanieczyszczeń. Ponadto ta metoda analizy ma zastosowanie poza środowiskiem laboratoryjnym, co wpływa na rozwój ogólnobranżowych wskaźników kontroli jakości materiałów pochodzących z recyklingu i prowadzi do zwiększenia zaufania do akumulatorów litowo-jonowych poddanych recyklingowi.
Źródło: NREL, zdjęcie główne: Kassandre Pedro
Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika
