Ученые из Южного университета науки и технологий в Шэньчжэне совместно с Хунаньским университетом технологий разработали инновационный способ переработки отработанных литий-ионных батарей. Их технология позволяет извлекать литий с высокой степенью полноты и почти вдвое сократить потребление электроэнергии. Это особенно актуально с учетом прогнозов, согласно которым к 2030 году объем отслуживших аккумуляторов в мире может достичь 11 млн тонн, тогда как спрос на литий для электромобилей и электроники продолжит расти по экспоненте.
В отличие от традиционных методов переработки, таких как гидрометаллургия, новая схема не требует применения агрессивных кислот и не приводит к образованию большого объема токсичных отходов. Классические кислотные технологии обеспечивают высокое извлечение металлов, но связаны со сложными стадиями разделения и очистки. Электрохимические методы считаются более экологичными, однако до сих пор их сдерживала проблема низкой энергоэффективности. На поздних этапах электролиза значительная часть подводимой энергии расходуется на побочные процессы, в частности на выделение кислорода, а не на извлечение лития. Исследователи поставили задачу максимально использовать подведенную электрическую энергию именно для выщелачивания лития.
Суть предложенного китайскими исследованиями подхода заключается в разделении процесса на два этапа с различными режимами. На первом этапе катодный материал помещается в раствор хлорида натрия, после чего к нему подается напряжение на ограниченное время – около 55-70 минут. За этот период запускается так называемое электрохимическое двойное окисление: ионы лития активно выходят из кристаллической решетки материала.
Ключевая особенность метода проявляется на втором этапе. Подачу напряжения полностью прекращают, но электрод оставляют в том же растворе на несколько часов. Несмотря на отсутствие внешнего источника энергии, процесс извлечения лития продолжается и доводится практически до 100%. Образно говоря, система начинает «работать» за счет внутренних химических преобразований.
Механизм этого явления ученые подробно изучили с использованием рентгеновской дифракции, электронной спектроскопии и других методов анализа структуры. Было установлено, что на первом этапе напряжение не только удаляет часть лития, но и переводит так называемый решеточный кислород в более окисленное, энергетически активное состояние. Этот «активированный» кислород на втором этапе постепенно восстанавливается, создавая условия для ионного обмена: ионы натрия из раствора замещают оставшийся в структуре литий. В результате извлечение продолжается уже без дополнительного энергопотребления.
Метод был протестирован на реальных отработанных катодах разных составов – NCM111, NCM523, NCM622 и NCM811. Во всех случаях степень извлечения лития достигала около 98%, при этом никель, кобальт и марганец практически не переходили в раствор – их потери не превышали 0,4%. Это обеспечивает высокую селективность процесса и упрощает последующее получение чистого продукта. Пилотная установка с загрузкой до 500 г материала за цикл подтвердила масштабируемость технологии. Полученный карбонат лития имел чистоту свыше 99,5%, что соответствует требованиям к аккумуляторному сырью.
Экономические расчеты показали, что двухстадийная схема позволяет снизить энергопотребление примерно на 50% по сравнению с традиционной электрохимической переработкой. В пересчете на тонну перерабатываемых катодов экономия только на электроэнергии составляет порядка 142 долларов, а потенциальная валовая прибыль может превышать 600 долларов на тонну.
