Cornellin elektrokemiallinen akkujen kunnostusmenetelmä

Kuvittele kulunut puhelin tai sähköauton akku uppoutumassa palauttavaan kylpyyn. Tämä on lähellä sitä, mitä Cornelliin yliopiston tutkijat ovat kehittäneet: elektrokemiallinen kylpy, joka voi elvyttää käytettyjä litiumioniakkujen elektrodeja ja palauttaa niistä noin 95 prosenttia alkuperäisestä kapasiteetista. Tulos on merkittävä, koska se käsittelee akkua korjattavana laitteena eikä hävitettävänä romuna.

Hellävarainen kemiallinen puhdistus väsyneille elektrodeille

Terveessä litiumioniakun kennoissa elektrodien pinnalle muodostuu ohut suojaava kalvo; elektrokemistit kutsuvat sitä kiinteäksi elektrolyyttivälipinnaksi eli SEI:ksi. Aluksi se on hyödyllinen. Liian paksu SEI kuitenkin aiheuttaa ongelmia. Se paksunee jokaisella latauskierrolla, lisää sisäistä vastusta ja vie käyttökelpoista kapasiteettia. Perinteiset kierrätysmenetelmät pyrkivät ratkaisemaan tämän murskaamalla kennot ja polttamalla tai kemiallisesti käsittelemällä syntyvän jauheen metallien talteen ottamiseksi. Nämä menetelmät palauttavat raaka-aineita, mutta ne kuluttavat paljon energiaa, vaativat runsaasti vettä ja ovat kalliita.

Cornellin ryhmä valitsi toisen lähestymistavan. Sen sijaan että akku hienonnettaisiin, he avaavat sen ja upottavat ehjät elektrodipinnat räätälöityyn elektrokemialliseen liuokseen. Neste liuottaa ylimääräisen SEI:n ilman että se tuhoaa elektrodin perustan. Menetelmää kutsutaan suoraan elektrodi-elektrodi -kunnostukseksi, ja se palauttaa elektrodipinnat lähes uudenveroisiin oloihin sekä jättää ohuen litiumfluoridipassivaatiokerroksen, joka auttaa estämään paksujen kerrostumien nopean uusiutumisen.

Korjaus kierrättämisen sijaan. Vähemmän lämpöä, vähemmän murskausta ja huomattavasti vähemmän teollisia työvaiheita. Energia ja ympäristötiede -lehdessä julkaistun tutkimuksen mukaan prosessi laskee kierrätettyjen kennojen valmistuskustannuksia noin 56 prosenttia verrattuna yleisiin kierrätysprosesseihin. Ilmansaastepäästöt ja vedenkulutus vähenevät myös.

Voiko elvytetty akku kestää pitkällä aikavälillä? Tutkijat testasivat senkin. Kun kennot palautettiin käyttöön, he havaitsivat SEI-kerroksen uudelleen muodostumisen jatkuvan vähitellen. He suorittivat elektrokemiallisen käsittelyn toisen kerran. Tulokset olivat rohkaisevia: jopa kahden täydellisen kunnostuskierroksen jälkeen kennot säilyttivät lähellä 90 prosenttia alkuperäisestä kapasiteetistaan. Käytännössä akku, joka näytti olevan menossa kaatopaikalle, voi saada toisen ja joskus kolmannenkin elämän.

"Voimme korjata elektrodeja ilman niiden murskaamista, mikä pienentää sekä kustannuksia että ympäristöhaittoja", kirjoittajat tiivistävät. Tämä lause kuvaa mahdollisen siirtymän: raaka-aineperusteisesta kierrätyksestä komponenttikohtaiseen kunnostukseen.

Mitä tämä merkitsee akuille ja planeetalle

Laaja käyttöönotto voisi muuttaa toimitusketjuja. Uusia katodimateriaaleja tarvittaisiin vähemmän kaivostoimintaan. Valmistajat ja ajoneuvokannat voisivat pidentää akkupakettien elinkaarta ja alentaa sähköajoneuvojen kokonaisomistuskustannuksia. Mutta esteitä on edelleen. Menetelmä edellyttää turvallista purkamista, elektrodien käsittelyinfrastruktuuria ja kemikaalien hallintajärjestelmiä. Skaalaus vaatii automatisoitua kennon avaamista ja standardoituja menettelytapoja, jotta teknikot voivat käsitellä elektrodisarjoja kierrätyskeskuksissa tai kunnostusasemilla.

Teknisesti menetelmä ei ole ihmelääke. Se käsittelee SEI-kerrostumiseen liittyvää kapasiteettihävikkiä, mutta muut kulumismuodot, kuten mekaaninen halkeilu tai aktiivisen materiaalin häviäminen, saattavat edelleen vaatia perinteistä materiaalitalteenottoa. Siitä huolimatta luotettavan korjausvaiheen lisääminen ennen tuhoavaa kierrätystä vähentäisi jätettä ja hidastaisi neitseellisten materiaalien kysyntää.

Päätelmä

Cornellin elektrokemiallinen kylpy muuttaa tapamme ajatella käyttöikänsä päässä olevia akkuja: ei kaatopaikalle kuuluvina malmeina vaan uudistettavina omaisuuserinä. Kun tutkijat skaalaavat menetelmää ja teollisuus sopeutuu, tämä korjausta etusijalle asettava lähestymistapa voi pienentää kustannuksia, vähentää päästöjä ja pidentää litiumioniteknologian käyttöikää.