Физики научились извлекать все металлы из старых батарей с помощью микроволн
Исследование, опубликованное в Nature Communications, описывает новый способ переработки литий-ионных батарей. Команда из Университета Райса (США) предложила использовать краткую обработку микроволновой плазмой, чтобы извлекать ценные материалы быстрее, дешевле и с меньшим вредом для окружающей среды.
Почему переработка батарей стала критически важной
Литий, кобальт и другие элементы, из которых делают аккумуляторы, добываются неравномерно и уже становятся узким местом для промышленности. При этом перерабатывается меньше 10% использованных батарей. Остальные часто оказываются на свалках, где со временем начинают выделять токсичные вещества.
«Переработка отработанных батарей — наиболее практичное решение для преодоления проблем в цепочке поставок», — говорит аспирант Гаутам Чандрасекар.
Что придумали исследователи
Ключевая идея — короткая предварительная обработка так называемой «черной массы». Это порошок, который получают после измельчения батарей.
Его помещают в среду с активированным газом — по сути, это плазма, созданная микроволновым излучением. Плазма — это ионизированный газ, где частицы легче вступают в химические реакции. Процесс длится около 15 минут и меняет структуру соединений металлов, делая их более доступными для извлечения.
После этого материал обрабатывают обычной лимонной кислотой при комнатной температуре. Литий дополнительно вымывается водой.
«Благодаря плазменной предварительной обработке из батарейной пыли можно извлечь почти 95 % металлов, включая литий, используя для этого лишь кислоту, содержащуюся в лимоне», — отмечает Чандрасекар.
Чем это лучше привычных методов
Сейчас переработка батарей требует высоких температур и агрессивных химикатов. При этом внимание в основном уделяют катодным материалам, а остальное теряется.
«Современные промышленные процессы переработки батарей имеют очень низкую эффективность извлечения металлов и в основном сосредоточены на катоде», — объясняет соавтор работы Сян Чжан.
Новый подход работает мягче. Он снижает энергозатраты и уменьшает количество опасных реагентов.
Неожиданный бонус — графит
Отдельный результат касается графита. Это основной материал анода, и он составляет около 22% массы батареи. Несмотря на это, его почти не перерабатывают, потому что при стандартной обработке он повреждается.
«Это один из важнейших моментов, потому что графит остается практически незаменимым в качестве анода», — говорит ведущий автор Сохини Бхаттачарья.
Плазма, по сути, «очищает» графит, убирая дефекты и остаточные примеси. Восстановленный материал можно снова использовать в аккумуляторах.
«Восстановленный графит демонстрирует превосходные характеристики в качестве анода», — добавляет Чандрасекар.
Можно ли внедрить на практике
Авторы изначально пытались сделать технологию не лабораторной, а прикладной. Самое важное, что ее можно встроить в существующие линии переработки как предварительный этап.
«Мы предположили, что использование плазмы облегчит извлечение металлов в более слабых кислотах», — поясняет Бхаттачарья.
Метод уже запатентован. Предварительные расчеты показывают, что он может быть экономически выгоднее текущих решений, особенно за счет возврата графита.
Руководитель проекта Пуликель Аджаян формулирует итоги совместных работ:
«Это прорывная методология для извлечения всех важнейших минералов из отходов аккумуляторных батарей с минимальным использованием химикатов и энергии».
По словам ученых, если оценки подтвердятся, переработка батарей может стать не только экологической необходимостью, но и полноценным источником сырья.
