Επιστήμονες «ανασταίνουν» μπαταρίες λιθίου: Ανακτούν έως και το 95% της αρχικής τους απόδοσης
- Αντί για καταστροφή, αναγέννηση των ηλεκτροδίων
- Γιατί φθείρονται οι μπαταρίες
- Πώς γίνεται σήμερα η ανακύκλωση
- Η νέα διαδικασία DEER
- Αναγέννηση και δεύτερη φορά
- Στόχος η εφαρμογή σε περισσότερους τύπους φθοράς
Όπως ένα χαλαρωτικό μπάνιο μπορεί να αναζωογονήσει τον άνθρωπο, έτσι και μια νέα ηλεκτροχημική μέθοδος φαίνεται πως μπορεί να «ανανεώσει» τις φθαρμένες μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Επιστήμονες του Πανεπιστημίου Cornell στις ΗΠΑ ανέπτυξαν μια ηλεκτροχημική διαδικασία που αποκαθιστά τις χρησιμοποιημένες μπαταρίες σχεδόν στην αρχική τους απόδοση.
Αντί για καταστροφή, αναγέννηση των ηλεκτροδίων
Σε αντίθεση με τις συμβατικές μεθόδους ανακύκλωσης, οι οποίες απαιτούν την πλήρη καταστροφή των μπαταριών και πολύπλοκες, ενεργοβόρες διαδικασίες για την ανάκτηση πολύτιμων υλικών, η νέα μέθοδος ανακυκλώνει απευθείας τα ηλεκτρόδια. Αντί να διαλύονται τα ηλεκτρόδια για να εξαχθούν τα υλικά που θα χρησιμοποιηθούν στην κατασκευή νέων, οι ερευνητές αναγεννούν τα ήδη υπάρχοντα ηλεκτρόδια μέσω ειδικού ηλεκτροχημικού διαλύματος.
Σύμφωνα με τους ίδιους, η μέθοδος αποκατέστησε τις μπαταρίες στο 95% της αρχικής τους χωρητικότητας, ενώ οι αναγεννημένες μπαταρίες παρουσίασαν και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Παράλληλα, εκτιμάται ότι μπορεί να μειώσει το κόστος ανακύκλωσης κατά 56%, ενώ είναι και πιο φιλική προς το περιβάλλον.
Γιατί φθείρονται οι μπαταρίες
Καθώς οι μπαταρίες ιόντων λιθίου γερνούν, πάνω στα ηλεκτρόδια σχηματίζεται σταδιακά ένα στρώμα γνωστό ως Solid Electrolyte Interphase (SEI). Ένα λεπτό στρώμα SEI είναι απαραίτητο για τη σωστή λειτουργία της μπαταρίας. Ωστόσο, μετά από εκατοντάδες ή και χιλιάδες κύκλους φόρτισης, το στρώμα αυτό γίνεται ολοένα και παχύτερο, αυξάνοντας την ηλεκτρική αντίσταση και μειώνοντας τη χωρητικότητα της μπαταρίας.
Το φαινόμενο αυτό αποτελεί μία από τις βασικότερες αιτίες γήρανσης των μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων και συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας, παρότι η δομή των ηλεκτροδίων παραμένει σε μεγάλο βαθμό άθικτη. Τα ηλεκτρόδια εξακολουθούν να περιέχουν πολύτιμα υλικά, όπως λίθιο, νικέλιο, κοβάλτιο, μαγγάνιο, χαλκό και αλουμίνιο.
Πώς γίνεται σήμερα η ανακύκλωση
Στη συμβατική διαδικασία ανακύκλωσης, οι μπαταρίες αρχικά ελέγχονται και αποφορτίζονται πλήρως. Στη συνέχεια, αποσυναρμολογούνται μέχρι το επίπεδο των κυψελών και ακολουθεί μηχανική θραύση.
Από το υλικό που προκύπτει αφαιρούνται πλαστικά και μεταλλικά μέρη, αφήνοντας μια μαύρη σκόνη, γνωστή ως black mass. Έπειτα , εφαρμόζονται πολύπλοκες και ενεργοβόρες διαδικασίες, όπως η πυρομεταλλουργία και η υδρομεταλλουργία, για την ανάκτηση των πολύτιμων μετάλλων.
Η νέα διαδικασία DEER
Η μέθοδος του Πανεπιστημίου Cornell ονομάζεται Direct Electrode-to-Electrode Regeneration (DEER). Αντί να τεμαχίζεται η μπαταρία, οι επιστήμονες την ανοίγουν και αφαιρούν προσεκτικά τα ηλεκτρόδια. Στη συνέχεια, τα ηλεκτρόδια συνδέονται σε συλλέκτη ρεύματος και τοποθετούνται σε λουτρό που περιέχει την ουσία 1,3-διμεθυλ-2-ιμιδαζολιδινόνη.
Το διάλυμα διαλύει το παχύ στρώμα SEI, αφήνοντας τα ηλεκτρόδια ανανεωμένα και έτοιμα να τοποθετηθούν σε νέα μπαταρία. Παράλληλα δημιουργείται ένα λεπτό στρώμα φθοριούχου λιθίου, το οποίο σταθεροποιεί τα ηλεκτρόδια και επιβραδύνει τη δημιουργία νέου στρώματος SEI. Έτσι, οι αναγεννημένες μπαταρίες εμφάνισαν ακόμη καλύτερη σταθερότητα στους κύκλους φόρτισης.
Αναγέννηση και δεύτερη φορά
«Τις επισκευάζουμε όπως είναι, χωρίς να τις τεμαχίζουμε ή να τις μετατρέπουμε σε σκόνη, και στη συνέχεια τις τοποθετούμε ξανά σε μια νέα μπαταρία», δήλωσε η επικεφαλής της έρευνας και καθηγήτρια Χημικής Μηχανικής του Πανεπιστημίου Cornell, Βίμπα Κάλρα. «Η διάλυση του στρώματος είναι αυτή που βοηθά την μπαταρία να ανακτήσει τη χωρητικότητά της. Βλέπουμε ανάκτηση της τάξης του 95%, μειώνοντας σημαντικά τον κύκλο της ανακύκλωσης.»
Όταν οι αναγεννημένες μπαταρίες έχασαν ξανά μέρος της χωρητικότητάς τους μετά από νέα περίοδο χρήσης, εφαρμόστηκε εκ νέου η μέθοδος DEER. Ακόμη και μετά από αυτή τη δεύτερη αναγέννηση, οι μπαταρίες διατήρησαν περίπου το 90% της αρχικής τους χωρητικότητας.
Στόχος η εφαρμογή σε περισσότερους τύπους φθοράς
Η σημερινή τεχνολογία επικεντρώνεται κυρίως στις φθορές που προκαλεί το στρώμα SEI. Οι ερευνητές σχεδιάζουν να εξετάσουν κατά πόσο η μέθοδος μπορεί να εφαρμοστεί και σε άλλες μορφές υποβάθμισης, όπως η απώλεια λιθίου.
«Αυτή τη στιγμή επεξεργαζόμαστε χρησιμοποιημένες μπαταρίες με επίπεδο υγείας 70% έως 80%, που είναι το συνηθισμένο στις εφαρμογές ηλεκτρικών οχημάτων. Αν μπορέσουμε να αντιμετωπίσουμε και άλλους μηχανισμούς φθοράς, θα μπορέσουμε να επεκτείνουμε ακόμη περισσότερο αυτό το εύρος», δήλωσε η Κάλρα. Οι ερευνητές εξετάζουν επίσης την εφαρμογή της τεχνολογίας σε βιομηχανικές μπαταρίες και σε άλλα μεγάλα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας με μπαταρίες ιόντων λιθίου.
