Новый электрохимический реактор извлекает литий прямо из отработанных аккумуляторов, производя гидроксид лития аккумуляторного качества с низким потреблением энергии.
Более чистый способ извлечения лития из разряженных аккумуляторов, возможно, только что вышел за рамки лабораторных исследований и попал в будущую цепочку поставок.
По мере роста популярности электромобилей по всему миру накапливаются отработанные аккумуляторы. Добыча лития дорога, его сложно очищать, и его трудно извлечь чистым способом.
Сегодня переработка в основном осуществляется с помощью нагревания или агрессивных химических веществ, в результате чего часто получается карбонат лития, который производители еще должны преобразовать в гидроксид лития, прежде чем его можно будет использовать повторно.
Группа инженеров из Университета Райса задалась обманчиво простым вопросом: почему бы не перерабатывать литий так же, как аккумулятор высвобождает его во время зарядки? Это любопытство привело к созданию метода, позволяющего избежать плавки, едких кислот и многоэтапной очистки.
Стратегия команды заключается в перезарядке отработанных катодных материалов с целью извлечения ионов лития в воду, где они мгновенно соединяются с гидроксидом, образуя готовый к использованию в аккумуляторах гидроксид лития.
Электроны делают тяжелую работу
«Мы задали простой вопрос: если зарядка аккумулятора вытягивает литий из катода, почему бы не использовать ту же реакцию для вторичной переработки?» — сказала Сибани Лиза Бисвал. «Сочетая эту химию с компактным электрохимическим реактором, мы можем чисто отделять литий и производить именно ту соль, которая нужна производителям».
Система основана на принципе работы работающего аккумулятора. При протекании тока ионы лития покидают катод. Реактор Райса использует эту реакцию на отходах аккумулятора, таких как литий-железо-фосфат.
Тонкая катионообменная мембрана направляет ионы лития в движущийся поток воды. На противоэлектроде вода расщепляется, образуя гидроксид. Литий и гидроксид встречаются в потоке воды и образуют высокочистый гидроксид лития, и всё это без использования дополнительных химикатов.
В исследовании представлен мембранно-электродный реактор с нулевым зазором, работающий только на электричестве, воде и чёрной массе. В определённых режимах процесс потреблял всего 103 килоджоулей энергии на килограмм отходов — примерно на порядок меньше, чем при обычных методах кислотного выщелачивания, без учёта дополнительных затрат на обработку.
Команда не остановилась на лабораторных весах.
Их устройство площадью 20 квадратных сантиметров прошло 1000-часовое испытание на прочность и обработало 57 граммов промышленной черной массы от TotalEnergies.
«Прямое производство высокочистого гидроксида лития сокращает обратный путь к новым аккумуляторам», — сказал Хаотянь Ван. «Это означает меньше этапов обработки, меньше отходов и более устойчивую цепочку поставок».
Чистота, долговечность, универсальность
Реактор производил гидроксид лития с чистотой более 99 процентов и поддерживал низкий уровень потребления энергии: от 103 до 536 килоджоулей на килограмм в зависимости от режима.
Среднее восстановление лития составило около 90 процентов за 1000 часов работы.
Данный подход хорошо адаптировался к различным химическим веществам, включая фосфат лития-железа, оксид лития-марганца и различные смеси никеля-марганца-кобальта.
Даже цельные литий-железо-фосфатные электроды изготавливались методом рулонной резки прямо из алюминиевой фольги, без необходимости соскабливания и предварительной обработки.
«Демонстрация рулонного процесса показывает, как это можно внедрить в автоматизированные линии разборки», — сказал Ван. «Вы загружаете электрод, питаете реактор низкоуглеродной электроэнергией и получаете гидроксид лития, пригодный для использования в аккумуляторах».
Следующие шаги команды включают масштабирование до стеков большей площади, увеличение загрузки черной массы и разработку более селективных гидрофобных мембран.
Последующая обработка, процесс концентрирования и кристаллизации гидроксида лития может дополнительно сократить потребление энергии и выбросы.
«Мы сделали процесс извлечения лития чище и проще», — сказал Бисвал. «Теперь мы чётко видим следующее узкое место. Увеличьте концентрацию, и вы достигнете ещё большей устойчивости».
Результаты исследования опубликованы в журнале Joule.
Sourse: interestingengineering.com
