Ученые научились переплавлять старые катоды в новые за один заход
Самая дорогая часть нашего смартфона — это крошечный слой внутри батареи, который сейчас научились снимать и переносить так же легко, как стикер с одной поверхности на другую.
В современных батареях самое сердце — это катод, положительный электрод, который накапливает энергию. Проблема в том, что для его изготовления часто нужны редкие и дорогие металлы вроде кобальта. Поэтому ученые бьются над тем, как эффективно перерабатывать старые батареи и возвращать эти ценные материалы в строй, не добывая их снова из земли.
Инженеры из Иллинойского университета придумали, как провернуть всю переработку за один шаг. Вместо того чтобы возиться с кучей химических реакций, они взяли за основу литий-кобальтовые оксидные катоды — те самые, что стоят в наших с вами телефонах и ноутбуках. Им удалось растворить материал, которым покрыт отработавший свое электрод, и тут же осадить его на новый. Этот фокус провернули в одной емкости с помощью электричества.
В чем тут выгода, объяснил аспирант Джаром Седерхольм, который руководил исследованием. Оказалось, что такой подход требует в два раза меньше ресурсов, чем обычные методы. А когда коллеги-экономисты прикинули, сколько это будет стоить в промышленных масштабах и какой оставит след на экологии, цифры их порадовали: затраты сокращаются в восемь раз, а вред природе — больше чем наполовину.
Подробности опубликованы в издании Advanced Functional Materials.
Профессор Пол Браун, научный руководитель проекта, рассказывает, как выглядит переработка сейчас.
Это настоящая эпопея: старые катоды нужно раздробить в пыль, потом разделить на компоненты, очистить, заново провести через химические реакции, и лишь потом нанести на новый носитель. На все это уходит уйма энергии и реагентов, что бьет и по карману, и по здоровью людей, и по экологии.
А родилась идея, по словам Седерхольма, почти случайно. Их лаборатория постоянно занималась электроосаждением — процессом, когда с помощью тока один материал наслаивается на другой.
И вот
Я просто пошел в лабораторию, собрал установку, подобрал нужный раствор и напряжение, — рассказывает Джаром. — И покрытие из оксида кобальта и лития снялось с катода как по волшебству.
Поскольку все нужные металлы уже оказались в растворе, следующим шагом было взять чистую заготовку и осадить их обратно. Так весь цикл — от извлечения ценных металлов из старого мусора до производства нового готового изделия — уместился в одной ванне с химическим раствором.
Чтобы проверить, насколько метод хорош на самом деле, к делу привлекли специалистов по промышленной инженерии — аспиранта Чжэн Лю и профессора Пинфэна Вана. Они сравнили новинку с существующими технологиями по четырем параметрам: выгода для бюджета, влияние на природу, расход ресурсов и риски для здоровья человека. И по всем пунктам одностадийный метод оказался впереди.
Пока что эксперименты ставили только на литий-кобальтовых катодах, потому что они самые распространенные в бытовой электронике. Но Седерхольм уже смотрит дальше. Он говорит, что в мире много батарей на основе никеля и марганца, и там процесс, скорее всего, потребует другой настройки. К тому же в батареях полно связующих добавок вроде поливинилиденфторида — штуки вредной, если попадет в окружающую среду. Исследователи хотят научиться не только извлекать металлы, но и убирать эти примеси, чтобы природа ничего лишнего не получила.
Для науки это исследование интересно тем, что ломает привычный технологический барьер. Раньше считалось, что переработка сложных химических источников тока — это принципиально многостадийный процесс, требующий разделения фаз и агрессивной химии. А тут показали, что электрохимия позволяет объединить «разборку» и „сборку“ в одном цикле. Это открывает целое направление: теперь ученые могут искать похожие решения для других типов покрытий и сплавов, где ценный материал нужно перенести с одного носителя на другой без потерь.
В реальной жизни польза ощутима сразу.
- Во-первых, снижается цена переработки, а значит, утилизировать старые телефоны и ноутбуки станет выгодно, а не накладно.
- Во-вторых, мы перестаем зависеть от новых рудников кобальта — добыча которого часто связана с тяжелыми условиями труда и экологическими рисками в странах-поставщиках.
По сути, отработанные гаджеты превращаются в ту же руду, только лежащую прямо у нас под рукой. Если технологию удастся масштабировать, это серьезный шаг к экономике замкнутого цикла, где батареи не отправляются на свалку, а служат сырьем для новых батарей.
Главная слабость исследования — его лабораторная чистота. Ученые работали с идеальными условиями: свежим электролитом, контролируемыми напряжениями и, что самое важное, с «чистыми» отработанными катодами. В реальной жизни старые батареи, которые попадают на переработку, имеют разную степень деградации, механические повреждения, загрязнения и смешанный состав. В процессе эксплуатации в материале катода накапливаются примеси, которые могут нарушить электрохимическое равновесие.
Пока не ясно, как одностадийный метод поведет себя с реальным промышленным потоком, где партия старых катодов будет неоднородной. Возможно, для стабильной работы потребуется предварительная сортировка или дополнительная очистка раствора, что снова добавит этапов и съест часть экономической выгоды. Также открытым остается вопрос о долговечности полученных таким способом новых катодов — насколько их ресурс будет отличаться от катодов, сделанных из первичного сырья. Без этих полевых испытаний говорить о полной победе новой технологии преждевременно.
Ранее ученые разработали батарею, которая разботает даже после разрезания на части.
