Японские ученые разработали метод практически полного восстановления емкости литий-ионных аккумуляторов, используя вещество, которое регенерирует поврежденные электроды. Эта разработка позволит увеличить продолжительность эксплуатации таких батарей и, как следствие, уменьшить объем образующихся отходов.
В настоящее время литий-ионные аккумуляторы нашли широкое применение: от устройств для дома до электромобилей. Эти батареи обладают рядом преимуществ, таких как быстрая зарядка, незначительный саморазряд и отсутствие необходимости в обслуживании. Однако, существуют и недостатки. К основным относятся — ограниченный срок службы, обычно от 500 до 2000 циклов заряда-разряда, а также потенциальную угрозу, которую они могут представлять для здоровья людей и для экологии.
С возрастом литий-ионные аккумуляторы постепенно утрачивают часть материала электродов, отвечающих за накопление энергии, что приводит к уменьшению их энергоемкости. В результате, аккумуляторы либо отправляются на свалки (где при разложении могут выделять опасные вещества, а также представлять риск возгорания или взрыва), либо направляются в компании, специализирующиеся на их переработке. Там специалисты разбирают батареи на компоненты, извлекают ценные материалы и отправляют их на повторную переработку.
Переработка литий-ионных аккумуляторов – сложный, дорогостоящий и энергозатратный процесс, требующий значительного времени. В связи с этим, исследователи активно разрабатывают методы, направленные на оптимизацию и сокращение числа этапов переработки. Японские инженеры из научно-исследовательского института T предложили одно из таких решений oyota Central R&D Labs., Inc. — метод регенерации емкости аккумуляторной батареи без необходимости ее извлечения.
Технология предполагает введение в изношенный компонент специальных веществ, которые уменьшают химическое старение батареи, «оживляя» электрохимически активный материал. При этом она не устраняет структурные дефекты, возникшие в аккумуляторе. Результаты работы опубликованы в журнале Joule.
Коммерческие литий-ионные аккумуляторы включают в себя несколько ключевых компонентов. В частности, это два электрода с разной полярностью: анод, изготовленный из графита, и катод, состоящий из оксидов лития. Между анодом и катодом находится тонкий пористый сепаратор, он удерживает два электрода от короткого замыкания. Еще в аккумуляторе есть электролит, изготовленный из органических растворителей и на основе солей лития, который позволяет ионам лития перемещаться внутри ячейки.
В процессе зарядки электрический ток переносит ионы лития с катода к аноду. Когда аккумулятор используется (во время разрядки), ионы возвращаются к катоду. Со временем этот цикл приводит к деградации катода: его материал растрескивается, что снижает способность удерживать необходимое количество атомов лития. В результате емкость аккумулятора уменьшается, и он уже не может эффективно накапливать энергию. Другими словами, каждая зарядка батареи незначительно сокращает ее максимальный срок службы.
Японские ученые предприняли попытку «омолодить» электрохимически активный материал, содержащийся в отработанной батарее. В ходе исследования были протестированы различные восстановительные реагенты — вещества, участвующие в химических реакциях при формировании электродов. Результаты экспериментов продемонстрировали, что реагент на основе нафталинида лития способен повысить объем функционирующего анодного и катодного материала в батарее и вернуть его производительность до 80 процентов от изначальной емкости. Данный показатель сохранялся на протяжении 100 циклов заряда и разряда.
Авторы исследования утверждают, что предложенная технология позволит значительно увеличить срок эксплуатации литий-ионных батарей. Использованные аккумуляторы смогут быть восстановлены и снова использоваться в электромобилях или других приборах, что исключит их захоронение или дорогостоящую переработку.
Новая методика регенерации была протестирована как на небольших батареях, так и на аккумуляторах, используемых в автомобилях. В обоих сценариях технология продемонстрировала свою эффективность.
Некоторые специалисты относятся к этим открытиям с осторожностью. Инженер Жаклин Эдж из Имперского колледжа Лондона отмечает, что для подтверждения успеха требуется проведение ряда исследований, охватывающих длительный период времени, чтобы оценить потенциальные побочные последствия, связанные с введением химических веществ.
«Японские инженеры предложили метод, который эффективен только для аккумуляторов, прошедших через уникальный процесс деградации. Применение этого метода целесообразно, если известна история батареи или возможно определить ее состояние с помощью простых диагностических процедур, не приводящих к ее повреждению», — объяснила Эдж.
Японские инженеры из Toyota подали заявку на получение патента. Технология вызвала интерес у нескольких компаний и государственных структур. В числе последних — американское Агентство, специализирующееся на передовых исследованиях в энергетике .