Recykling akumulatorów litowo-jonowychDzięki temu „klejowi” produkcja i recykling baterii mogłyby stać się bardziej ekologiczne
Autor:
Uniwersytet Kalifornijski w San Diego
| Przetłumaczone przez AI
4 min Czas czytania
Bezfluorowy spoiwo, które można przetwarzać w wodzie, mogłoby uprościć produkcję i recykling akumulatorów litowo-jonowych. Opracowane na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego spoiwo umożliwia oddzielenie powłok elektrod od folii metalowych w wodzie, a testy laboratoryjne wykazały porównywalną początkową wydajność akumulatorów oraz lepsze zachowanie pojemności.
Ten nowy spoiwo do akumulatorów może przyczynić się do zmniejszenia ilości toksycznych składników, zużycia energii oraz ilości odpadów powstających podczas produkcji i recyklingu akumulatorów litowo-jonowych.
(Źródło: David Baillot | Jacobs School of Engineering Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego (CC BY-ND 4.0))
Nowy spoiwo do akumulatorów — substancja łącząca wewnętrzne elementy akumulatora — może sprawić, że akumulatory litowo-jonowe będą bardziej przyjazne dla środowiska i łatwiejsze do recyklingu bez utraty wydajności. Opracowując spoiwo niezawierające fluoru i rozpuszczające się w wodzie, inżynierowie z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego wykazali, że mogą uprościć zarówno produkcję akumulatorów, jak i ich recykling poprzez ograniczenie stosowania toksycznych składników, zużycia energii i ilości odpadów. Akumulatory wyprodukowane z wykorzystaniem nowego spoiwa działały równie dobrze jak konwencjonalne akumulatory litowo-jonowe.
Spoiwo to materiał o konsystencji kleju, który miesza się z proszkami elektrodowymi w celu utworzenia stałych warstw, które następnie przykleja się do cienkich folii metalowych wewnątrz akumulatora. Warstwy te układa się jedna na drugiej i zwija, tworząc akumulator. Chociaż spoiwo stanowi niewielką część masy akumulatora, ma ono duży wpływ na sposób jego produkcji i recyklingu.
Galeria obrazów
W akumulatorach litowo-jonowych zazwyczaj stosuje się spoiwo zawierające fluor, ponieważ pozwala ono uzyskać elektrody o silnej przyczepności i jednolitej strukturze, które zachowują stabilność przez wiele cykli ładowania i rozładowania. Dzięki temu akumulatory osiągają lepszą wydajność i mają dłuższą żywotność.
„Jednak ta sama stabilność sprawia również, że recykling baterii jest znacznie trudniejszy” – powiedział Chen, którego laboratorium Sustainable Materials and Energy Lab na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego specjalizuje się w opracowywaniu wydajnych i przyjaznych dla środowiska metod odzyskiwania i regeneracji materiałów z zużytych baterii litowo-jonowych.
Problem z fluorem w spoiwach
Spoiwo zawierające fluor musi zostać rozpuszczone w toksycznym rozpuszczalniku, zanim będzie można je wymieszać z proszkami elektrodowymi. Po nałożeniu powłoki na elektrody stosuje się duże piece suszarnicze w celu odparowania rozpuszczalnika. Następnie konieczne są dodatkowe etapy w celu odzyskania i oczyszczenia rozpuszczalnika, aby można go było ponownie wykorzystać. „Te dodatkowe etapy znacznie zwiększają koszty i zużycie energii – a także wpływ na środowisko – związany z produkcją akumulatorów” – powiedział pierwszy autor badania, Jiao Lin, doktorant w laboratorium Chena.
Spoiwa zawierające fluor również utrudniają proces recyklingu akumulatorów. Spoiwa te pozostawiają trudne do usunięcia pozostałości, do których usunięcia potrzebna jest wysoka temperatura lub żrące substancje chemiczne. To z kolei powoduje powstawanie odpadów niebezpiecznych, a także produktów ubocznych zawierających fluor, które zanieczyszczają odzyskane materiały z akumulatorów i utrudniają ich ponowne wykorzystanie w nowych akumulatorach.
Koniec z fluorem i toksycznymi rozpuszczalnikami
Aby rozwiązać oba problemy, zespół Chena opracował spoiwo, które nie zawiera fluoru i które można przetwarzać przy użyciu nietoksycznego rozpuszczalnika: wody. Jak wyjaśnił Chen, choć istnieją już inne spoiwa rozpuszczalne w wodzie, brakuje im wytrzymałości i trwałości niezbędnych w akumulatorach o wysokiej wydajności.
Nowy spoiwo wykonano z dwóch niedrogich i powszechnie stosowanych polimerów. Kwas poliakrylowy ułatwia równomierne rozprowadzanie mieszanki podczas produkcji i zapewnia jej elastyczność. Z kolei karboksymetyloceluloza, substancja pochodzenia roślinnego powszechnie stosowana w produktach spożywczych i wyrobach papierniczych, zapewnia wytrzymałość i przyczepność.
Polimery najpierw rozpuszczono w wodzie. Następnie naukowcy dodali kwas cytrynowy – naturalnie występujący kwas zawarty w owocach cytrusowych – aby chemicznie połączyć polimery ze sobą. W rezultacie powstała gęsta sieć połączona różnymi rodzajami wiązań chemicznych, które wzajemnie się wzmacniają. Dzięki temu spoiwo to charakteryzuje się wytrzymałością, elastycznością, stabilnością i przyczepnością niezbędnymi, by konkurować z konwencjonalnymi spoiwami zawierającymi fluor.
Stan na dzień: 20.11.2020 r.
Jest dla nas sprawą oczywistą, że w sposób odpowiedzialny obchodzimy się z danymi osobowymi użytkowników. Jeśli gromadzimy dane osobowe, przetwarzamy je zgodnie z obowiązującymi przepisami o ochronie danych. Szczegółowe informacje można znaleźć tutaj: Polityka prywatności.
Zgoda na wykorzystanie danych do celów reklamowych
Wyrażam zgodę na wykorzystywanie przez spółkę Vogel Communications Group GmbH & Co. KG, Max-Planck-Str. 7-9, 97082 Würzburg, Niemcy, oraz przez wszystkie spółki z nią powiązane w rozumieniu §§ 15 i nast. niemieckiej ustawy o spółkach akcyjnych AktG (dalej: Vogel Communications Group) mojego adresu e-mail do przesyłania mi newsletterów redakcyjnych. Lista spółek stowarzyszonych znajduje się tutaj.
Treść newslettera obejmuje produkty i usługi wszystkich wyżej wymienionych spółek, w tym na przykład czasopisma branżowe i książki specjalistyczne, wydarzenia i targi branżowe, a także produkty i usługi związane z wydarzeniami, oferty i usługi mediów drukowanych i wirtualnych, takie jak inne newslettery informacyjne, konkursy, kampanie leadowe, badania rynku online i offline, specjalistyczne portale internetowe i oferty e-learningowe. Jeśli pobrany został również mój osobisty numer telefonu, może być on wykorzystany do składania ofert dotyczących wymienionych wyżej produktów i usług wyżej wymienionych spółek oraz do badań rynkowych.
Moja zgoda obejmuje również przetwarzanie mojego adresu e-mail i numeru telefonu w celu porównania danych w celach marketingowych z wybranymi partnerami reklamowymi, takimi jak np. LinkedIn, Google i Meta. W tym celu Vogel Communications Group może przekazać wskazane dane w postaci zahashowanej partnerom reklamowym, a partnerzy ci mogą następnie wykorzystywać je w celu ustalenia, czy posiadam również konto w odpowiednich serwisach tych partnerów reklamowych. Grupa Vogel Communications wykorzystuje tę funkcję do celów retargetingu (upselling, cross-selling i budowanie lojalności klientów), tworzenia tzw. grup odbiorców podobnych (Lookalike Audiences) w celu pozyskiwania nowych klientów oraz jako podstawę do wykluczania odbiorców z bieżących kampanii reklamowych. Więcej informacji można znaleźć w sekcji „Porównanie danych w celach marketingowych” w polityce prywatności.
Jeśli otworzę na stronach internetowych chronione treści umieszczone na portalach Grupy Vogel Communications, w tym jej spółek stowarzyszonych w rozumieniu §§ 15 i nast. niemieckiej ustawy o spółkach akcyjnych AktG, muszę zarejestrować się, podając dodatkowe dane, aby uzyskać dostęp do tych treści. W zamian za bezpłatny dostęp do treści redakcyjnych, moje dane mogą być wykorzystywane zgodnie z niniejszą zgodą do tutaj określonych celów. Nie dotyczy to porównywania danych w celach marketingowych.
Prawo do wycofania zgody
Jestem świadomy(a), że w przyszłości mogę wycofać zgodę w dowolnym momencie. Wycofanie przeze mnie zgody nie ma wpływu na zgodność z prawem przetwarzania, którego dokonano na podstawie mojej zgody do momentu jej wycofania. Aby wycofać zgodę, mogę skorzystać z formularza kontaktowego dostępnego pod adresem https://contact.vogel.de/pl. Jeśli nie chcę już otrzymywać subskrybowanych przeze mnie newsletterów, mogę zrezygnować z subskrypcji naciskając w link znajdujący się na końcu newslettera. Więcej informacji na temat mojego prawa do wycofania zgody, a także konsekwencji wycofania zgody znajduje się tutaj: Polityka prywatności, sekcja Newslettery redakcyjne.
Produkcja i recykling baterii z wykorzystaniem nowego spoiwa
Akumulatory wykonane z wykorzystaniem nowego spoiwa bezfluorowego wykazywały taką samą początkową wydajność jak konwencjonalne akumulatory litowo-jonowe. Zachowały one swoją pojemność nawet przez dłuższy czas po setkach, a nawet tysiącach cykli ładowania. Spoiwo to było również kompatybilne z różnymi typami elektrod, w tym z katodami litowo-żelazowo-fosforanowymi (LFP), katodami bogatymi w nikiel, anodami grafitowymi oraz anodami krzemowymi.
Nowy spoiwo mogłoby również uprościć proces recyklingu akumulatorów. Zamiast stosować agresywne środki chemiczne i wysokie temperatury do jego usunięcia, jak ma to miejsce w przypadku spoiw zawierających fluor, naukowcy po prostu rozmontowali akumulator i zanurzyli elektrody w wodzie. Spowodowało to rozpuszczenie spoiwa i umożliwiło czyste oddzielenie powłok elektrod od metalowych folii bez pozostawiania śladów. Odzyskane materiały elektrodowe zostały następnie zregenerowane w ramach procesów bezpośredniego recyklingu i wykorzystane do produkcji nowych akumulatorów.
Te akumulatory z recyklingu działały równie dobrze, jak te wykonane z materiałów elektrodowych odzyskanych z akumulatorów wyprodukowanych z wykorzystaniem konwencjonalnego spoiwa zawierającego fluor.
Kolejne kroki obejmują zwiększenie skali produkcji spoiwa w celu wprowadzenia go do produkcji komercyjnej. Naukowcy pracują obecnie nad optymalizacją spoiwa pod kątem różnych typów akumulatorów, aby poprawić ich wydajność. Chen i jego zespół planują wprowadzić spoiwo na rynek we współpracy z partnerami przemysłowymi.
Artykuł oryginalny: Bezfluorowe spoiwo polimerowe umożliwia produkcję w obiegu zamkniętym i recykling akumulatorów litowo-jonowych; Nature Communications; DOI:10.1038/s41467-026-78215-3