Recykling akumulatorów litowo-jonowych Dzięki temu „klejowi” produkcja i recykling baterii mogłyby stać się bardziej ekologiczne

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.

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.

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