Исследователи из Rice University создали водный метод восстановления 65% металлов из батарей за одну минуту без нагрева
Учёные из Университета Райс разработали водный метод извлечения ценных металлов из отработанных литий-ионных аккумуляторов, который занимает всего несколько минут и представляет собой более быструю и менее энергозатратную альтернативу традиционным системам переработки. Этот новый процесс нацелен на ключевые материалы, используемые в батареях, включая литий, кобальт, никель и марганец, спрос на которые постоянно растёт по мере расширения производства электромобилей и электроники во всём мире.
Переработка аккумуляторов становится всё более важной по мере того, как цепочки поставок минерального сырья ужесточаются, а страны стремятся снизить зависимость от только что добытых материалов. Однако многие современные методы восстановления металлов полагаются на использование агрессивных кислот, токсичных растворителей или требуют длительного времени обработки. Исследователи из Rice University утверждают, что их новый класс водных «аминоклоридных» растворов позволяет быстро извлекать металлы, избегая большинства этих недостатков.
«Традиционные методы переработки часто опираются на агрессивные кислоты или медленные, энергоёмкие процессы, — заявил первый автор исследования Саймон М. Кинг. — Мы показали, что можно достичь быстрого и высокоэффективного извлечения металлов с помощью гораздо более простой водной системы». Команда сосредоточилась на гидрометаллургической переработке, при которой металлы из батарей растворяются в жидкости, а затем отделяются для повторного использования. Этот подход считается одним из наиболее масштабируемых, но обычные растворители могут создавать экологические и финансовые проблемы.
Чтобы усовершенствовать процесс, исследователи протестировали несколько аминоклоридных солей в качестве альтернативных выщелачивающих агентов. Одно соединение, гидроксиламмония хлорид (HACl), показало наилучшие результаты. В ходе испытаний раствор HACl извлёк около 65% ключевых металлов из батарей всего за одну минуту при комнатной температуре. При незначительном увеличении времени обработки уровень восстановления для нескольких металлов превысил 75%. Эта скорость примечательна, поскольку многие системы переработки требуют повышенных температур или длительных периодов реакции, что увеличивает потребление энергии и эксплуатационные расходы.
«Мы были удивлены тем, насколько быстро происходит реакция, особенно без применения высоких температур, — отметил Кинг. — В первую минуту мы уже наблюдаем, как происходит основная часть извлечения металлов». Исследователи заявили, что замена традиционных органических растворителей водой снижает вязкость, позволяя молекулам двигаться более свободно и ускоряя реакции. Водная химия также упрощает обращение с отходами и может снизить экологические риски.
Команда использовала эксперименты и моделирование, чтобы понять, почему раствор работает так хорошо. Хотя кислотность и хлорид-ионы помогают растворять металлы, исследователи обнаружили, что встроенный в HACl окислительно-восстановительный центр, содержащий азот, играет важнейшую роль. «Хотя быстрое растворение металлов очень интересно, самое захватывающее то, что это демонстрирует общие химические свойства, которые являются основными движущими силами эффективного выщелачивания, — сказала Сохини Бхаттачарья. — Эта окислительно-восстановительная способность даёт ему значительное преимущество перед другими подобными системами, которые мы тестировали». После извлечения восстановленные металлы были переработаны в новые материалы для батарей, что демонстрирует замкнутый цикл переработки.
Эти результаты могут помочь сформировать заводы по переработке аккумуляторов следующего поколения, сочетая малотоксичные растворители с целенаправленной химией, повышающей скорость и эффективность. Поскольку количество отходов от аккумуляторов электромобилей резко возрастёт в ближайшие годы, более быстрые методы восстановления металлов могут стать всё более востребованными.
Исследование в журнале Small.