Восстановление до 95 %: плазма меняет процесс переработки литиевых батарей

Новый процесс снижает потребление энергии и агрессивных химических веществ, восстанавливает металлы и графит и повышает эффективность цепочки поставок аккумуляторов.

Новый процесс переработки аккумуляторов, основанный на микроволновой плазме и лимонной кислоте, позволяет восстановить почти 95% важнейших минералов, работая при комнатной температуре и с использованием мягких растворителей.

Об этом свидетельствует исследование, опубликованное в Расширенные материалыкоторый вводит предварительную обработку, способную значительно повысить эффективность извлечения металла из так называемой черной массы.

Этот метод позволяет восстанавливать литий, кобальт, никель и другие стратегические элементы, а также восстанавливать графит, основной компонент аккумуляторов. Это важный шаг для снижения воздействия на окружающую среду и повышения устойчивости цепочки поставок.

В этом процессе используется 15-минутная плазменная обработка, за которой следует этап выщелачивания лимонной кислотой при комнатной температуре. Результатом является извлечение всех металлов более 90% с пиками до 95% и более высокая селективность извлечения лития.

Как плазма меняет черную массу

Начальная фаза включает измельчение истощенных клеток в смесь, называемую черной массой, которая содержит металлы и графит.

Плазменная обработка, то есть ионизированный газ высокой энергии, воздействует на эту смесь, изменяя ее структуру. Частицы подвергаются энергетической бомбардировке, которая приводит к образованию микротрещин и увеличению реактивной поверхности.

Этот шаг облегчает последующее извлечение металлов. В отличие от традиционных методов, требующих высоких температур и сильных кислот, процесс позволяет работать со слабыми растворителями, такими как лимонная кислота.

Подробно, плазма позволяет разрушать структуры оксидов металлов, облегчая растворение материалов. Кроме того, это позволяет более эффективно отделять литий, который также можно восстановить в воде.

Традиционная переработка аккумуляторов

Современные технологии переработки аккумуляторов в основном основаны на пирометаллургических и гидрометаллургических процессах.

Первые требуют высоких температур, часто выше 700–900°С, со значительными энергозатратами. Последние используют концентрированные кислоты и сложные процессы, оказывающие существенное воздействие на окружающую среду.

В обоих случаях эффективность восстановления неодинакова. Некоторые металлы извлекаются с хорошими выходами, тогда как другие извлечь труднее. Более того, многие процессы сосредоточены только на наиболее ценных материалах, игнорируя важные компоненты.

В исследовании подчеркивается, что современные технологии имеют низкую общую производительность и не позволяют полностью восстановить материалы, присутствующие в батареях.

Новый плазменный подход преодолевает эти ограничения, повышая эффективность и устойчивость процесса.

Восстановление графита

При переработке аккумуляторов графит представляет собой одну из основных проблем. Этот материал составляет около 22% веса литий-ионного аккумулятора.

В традиционных процессах графит часто повреждается под воздействием высоких температур и не может быть повторно использован в батареях. Следовательно, он предназначен для вторичного использования с потерей ценности.

Плазменная обработка меняет этот сценарий. В процессе удаляются остатки и дефекты, накопившиеся за время использования аккумулятора, сохраняя структуру материала.

Испытания показывают, что восстановленный графит сохраняет хорошие электрохимические характеристики и может быть повторно использован в качестве анода. Это помогает снизить потребность в первичном сырье и повысить общую устойчивость системы.

Преимущества переработки аккумуляторов плазмой

Сравнение с традиционными процессами подчеркивает значительные преимущества переработки аккумуляторов.

Предварительная плазменная обработка занимает всего 15 минут по сравнению с 2 и более часами при традиционной термообработке.

Потребление энергии также ниже. Промышленные печи должны поддерживать высокие температуры в течение длительного времени, а плазма обеспечивает быстрый и контролируемый нагрев.

С химической точки зрения использование лимонной кислоты при температуре около 30°C заменяет использование сильных кислот и высоких температур.

Сравнительные испытания показывают, что извлечение переходных металлов превышает 90 %, тогда как в термических процессах оно останавливается на отметке 86 %.

Кроме того, извлечение высококачественного графита увеличивает общую стоимость получаемых материалов, повышая экономическую устойчивость процесса.

Промышленные перспективы

Новый метод переработки аккумуляторов был разработан для интеграции в существующие промышленные процессы. Технико-экономический анализ указывает на преимущества с точки зрения затрат, энергопотребления и стоимости рекуперированных материалов.

Для масштабируемости существует две основные стратегии. Первый касается разработки плазменных реакторов, способных работать в больших объемах. Второй направлен на распараллеливание с использованием нескольких операционных систем одновременно.

Технология уже запатентована и движется к этапу индустриализации.

Переработка аккумуляторов, стратегическое решение для критически важного сырья

Переработка аккумуляторов играет центральную роль в обеспечении поставок критически важного сырья. Литий, кобальт и никель являются ограниченными ресурсами и сосредоточены в нескольких регионах мира.

В то же время менее 10% использованных аккумуляторов сейчас перерабатываются, а большое количество материалов оказывается на свалке.

Это влечет за собой экологические риски и потерю стратегических ресурсов. Таким образом, технологии, способные восстановить почти все материалы, представляют собой ключевой шаг на пути к энергетическому переходу.

Новый метод демонстрирует, что можно повысить эффективность восстановления при одновременном снижении воздействия на окружающую среду и эксплуатационных затрат.