«Апостериори»: Новый связующий материал упрощает переработку литий-ионных аккумуляторов
Новости науки и технологий
Поддержите «Эхо», если вы не в России
Новый полимерный материал может сделать производство и переработку литий-ионных аккумуляторов менее энергоёмкими.
В электроде аккумулятора активные частицы должны быть прочно закреплены на металлической фольге. Для этого используют связующее вещество. Один из стандартных вариантов – фторсодержащий полимер PVDF. Он хорошо работает, но при производстве требует органических растворителей, а при переработке затрудняет отделение материалов.
В работе, опубликованной в Nature Communications, исследователи предложили связующее вещество без фтора, состоящее из полиакриловой кислоты и карбоксиметилцеллюлозы, соединённых лимонной кислотой. Все эти компоненты позволяют обрабатывать электрод в водной среде.
Главная сложность заключается в том, чтобы совместить две противоположные задачи. Во время работы батареи связующее вещество должно быть прочным, устойчивым к нагреву и химическим реакциям. Но после окончания срока службы желательно, чтобы электрод можно было легко разобрать.
Авторы создали сеть из нескольких типов химических связей. В готовом аккумуляторе она хорошо удерживает частицы и выдерживает циклы заряда и разряда. В испытаниях литий-железо-фосфатные катоды показали начальную ёмкость, сопоставимую с электродами на основе PVDF, и даже лучшую стабильность при циклировании.
При переработке преимущество становится особенно заметным. Использованные электроды можно обработать водой и отделить активный материал без образования фторсодержащих остатков. Затем восстановленные материалы снова использовали для изготовления электродов, и их характеристики оказались сопоставимы с материалами из нового сырья.
Авторы также провели оценку жизненного цикла. По их расчётам, переход на такую систему способен уменьшить затраты энергии и выбросы по сравнению с производством и переработкой аккумуляторов с PVDF.
Это пока не означает, что новый полимер уже готов заменить связующие вещества во всех батареях. Лабораторная совместимость с разными материалами ещё должна быть проверена в промышленном масштабе, где важны скорость производства, срок хранения и стоимость.
Но работа показывает интересный принцип проектирования: аккумулятор можно изначально создавать не только с расчётом на эффективность во время эксплуатации, но и на то, как его будут разбирать через несколько лет. Для массовой аккумуляторной промышленности это может оказаться не менее важным, чем небольшой прирост ёмкости.
Традиционная переработка батарей часто идёт по пути измельчения и последующего химического или высокотемпературного извлечения ценных элементов. Прямая переработка стремится сохранить частицы катода в более готовом виде. Если связующее вещество легко удалить, такой путь становится заметно проще и потенциально требует меньше энергии.