Физики научились извлекать все металлы из старых батареек с помощью микроволн

Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, описывает новый способ переработки литий-ионных батарей. Команда из Университета Райса (США) предложила использовать кратковременную микроволновую плазменную обработку, чтобы быстрее, дешевле и с меньшим вредом для окружающей среды извлекать ценные материалы.

Литий, кобальт и другие элементы, используемые для изготовления аккумуляторов, добываются неравномерно и уже становятся узким местом для отрасли. Однако менее 10% использованных батарей перерабатываются. Остальные часто попадают на свалки, где со временем начинают выделять токсичные вещества.

«Переработка отработанных батарей — наиболее практичное решение для преодоления узких мест в цепочке поставок», — говорит аспирант Гаутам Чандрасекхар.

Что придумали исследователи?

Ключевая идея — короткая предварительная обработка так называемой «черной мессы». Это порошок, который получается после измельчения аккумуляторов.

Он помещен в среду с активированным газом — по сути, это плазма, создаваемая микроволновым излучением. Плазма — это ионизированный газ, частицы которого легче вступают в химические реакции. Процесс занимает около 15 минут и меняет структуру соединений металлов, делая их более доступными для извлечения.

После этого материал обрабатывается обычной лимонной кислотой при комнатной температуре. Литий дополнительно вымывают водой.

«Благодаря предварительной плазменной обработке почти 95% металлов, включая литий, можно извлечь из аккумуляторной пыли, используя только кислоту, содержащуюся в лимоне», — говорит Чандрасекхар.

Почему это лучше традиционных методов?

Переработка аккумуляторов теперь требует высоких температур и агрессивных химикатов. При этом внимание в основном уделяется катодным материалам, а все остальное теряется.

«Современные процессы переработки промышленных аккумуляторов имеют очень низкую эффективность восстановления металла и в основном сосредоточены на катоде», — объясняет соавтор Сян Чжан.

Новый подход работает более плавно. Это снижает энергозатраты и уменьшает количество опасных реагентов.

Неожиданный бонус – графит.

Отдельный результат касается графита. Это основной материал анода, который составляет около 22% массы аккумулятора. Несмотря на это, его редко перерабатывают, поскольку стандартная обработка его повреждает.

«Это один из самых важных моментов, поскольку графит остается практически незаменимым в качестве анода», — говорит ведущий автор Сохини Бхаттачарья.

Плазма по сути «очищает» графит, удаляя дефекты и остаточные примеси. Восстановленный материал можно снова использовать в батареях.

«Восстановленный графит демонстрирует превосходные характеристики в качестве анода», — добавляет Чандрасекхар.

Возможно ли применить это на практике?

Авторы изначально пытались сделать технологию не лабораторной, а прикладной. Самое главное, что его можно интегрировать в существующие технологические линии в качестве предварительного шага.

«Мы предположили, что использование плазмы облегчит извлечение металлов в более слабые кислоты», — объясняет Бхаттачарья.

Метод уже запатентован. Предварительные расчеты показывают, что это может оказаться более рентабельным, чем нынешние решения, особенно за счет возврата графита.

Руководитель проекта Пуликель Аджаян формулирует результаты совместной работы:

«Это революционная методология извлечения всех важнейших минералов из отходов аккумуляторов с минимальным использованием химикатов и энергии».

По мнению ученых, если оценки подтвердятся, утилизация аккумуляторов может стать не только экологической необходимостью, но и ценным источником сырья.