Novi način recikliranja litij-ionskih baterija brži je i ekološki prihvatljiviji
Student prijediplomskog studija na Sveučilištu Rice, Simon M. King, osmislio je ekološki prihvatljiviju metodu recikliranja litij-ionskih baterija
Kako globalna potražnja za litij-ionskim baterijama nastavlja snažno rasti, istraživači su razvili bržu i energetski učinkovitiju metodu za izdvajanje ključnih minerala iz istrošenih baterija.
U novoj studiji objavljenoj u časopisu Small, istraživači s Odjela za znanost o materijalima i nano inženjerstvo Sveučilišta Rice predstavljaju skupinu vodenih otopina koje mogu izdvojiti vrijedne metale iz baterijskog otpada u svega nekoliko minuta.
Rad pod nazivom „Beyond DESs: Aqueous Redox-Active Amino Chloride Salts for Efficient Hydrometallurgical Recycling of Lithium-Ion Batteries“ usmjeren je na vodene otopine kloridnih soli s amino skupinama, koje oponašaju učinkovitost često proučavanih „zelenih“ otapala poput dubokih eutektičkih otapala, ali bez njihovih ključnih ograničenja. Ovaj pristup mogao bi ublažiti pritiske u opskrbnim lancima i smanjiti negativan utjecaj na okoliš.
„Tradicionalne metode recikliranja često se oslanjaju na jake kiseline ili spore i energetski zahtjevne procese“, kaže prvi autor studije Simon M. King, student druge godine kemijskog i molekularnog inženjerstva koji je na ovom istraživanju radio kao ljetni istraživač u Institutu za napredne materijale Sveučilišta Rice. „Pokazali smo da je moguće postići brzo i vrlo učinkovito izdvajanje metala korištenjem mnogo jednostavnijeg sustava temeljenog na vodi.“
Litij-ionske baterije pokreću sve – od pametnih telefona do električnih vozila, no njihovo recikliranje i dalje predstavlja velik izazov. Tijekom procesa recikliranja obično se oporabi tek mali dio materijala, uključujući litij, kobalt, nikal i mangan, unatoč rastućoj potražnji i ograničenim globalnim zalihama.
Hidrometalurško recikliranje, koje uključuje otapanje metala u otopini i njihovo naknadno kemijsko taloženje, smatra se jednim od najskalabilnijih pristupa. Međutim, često korištena otapala mogu biti toksična, dok predložene „zelene“ alternative mogu biti neučinkovite. Kako bi to riješio, tim sa Sveučilišta Rice istraživao je vodene otopine kloridnih soli s amino skupinama kao alternativna sredstva za izluživanje metala. Među testiranim kandidatima, otopina temeljena na hidroksilamonijevom kloridu (HACl) pokazala je iznimne rezultate.
„Iznenadilo nas je koliko se brzo reakcija odvija, osobito bez primjene visokih temperatura“, kaže King. „Već u prvoj minuti odvija se većina procesa izdvajanja metala.“
Otopina temeljena na hidroksilamonijevom kloridu omogućila je izdvajanje približno 65 posto ključnih metala iz baterija u samo jednoj minuti pri sobnoj temperaturi, dok učinkovitost za pojedine metale prelazi 75 posto uz nešto dulje vrijeme obrade. Za razliku od mnogih postojećih metoda, ovaj proces ne zahtijeva visoke temperature ni dugotrajne reakcije, dva ključna čimbenika troškova i utjecaja na okoliš.
„Velika prednost ovog sustava jest što djeluje u relativno blagim uvjetima. To otvara put održivijim i skalabilnijim tehnologijama recikliranja“, ističe profesor inženjerstva Pulickel Ajayan.
Zamjena tradicionalnih organskih otapala vodom znatno smanjuje viskoznost, što omogućuje brže kretanje molekula i ubrzava reakcije. Ova promjena također pojednostavljuje obradu otpada i smanjuje rizik za okoliš.
Kombinacijom eksperimentalnih istraživanja i modeliranja znanstvenici su utvrdili da, uz ulogu kiselosti i kloridnih iona u otapanju metala, ključnu funkciju ima redoks-aktivni dušikov centar u spoju HACl, koji aktivno sudjeluje u reakciji.
„Iako je brzo otapanje metala vrlo zanimljivo, najvažnije je što ovo istraživanje ukazuje na temeljna kemijska svojstva koja omogućuju učinkovito izluživanje metala“, kaže istraživačica Sohini Bhattacharyya. „Ta redoks sposobnost daje ovom sustavu jasnu prednost u odnosu na druge koje smo ispitali.“
Istraživanje također pokazuje da čimbenici poput polariteta otapala ili pH vrijednosti mogu biti manje važni od prisutnosti reaktivnih kemijskih skupina i učinkovitog prijenosa tvari, koji omogućuju brzo izluživanje. Nakon izdvajanja, pokazano je da se oporabljeni metali mogu ponovno preraditi u nove materijale za baterije, čime se zatvara ciklus recikliranja.
Rezultati istraživanja upućuju na širu strategiju razvoja budućih sustava recikliranja: kombiniranje niskotoksičnih otapala s ciljano odabranim kemijskim svojstvima radi postizanja maksimalne učinkovitosti.
D.R. | Ekovjesnik