Виноградная биокислота восстанавливает более 95% кобальта и никеля в батареях.

Исследование, опубликованное в журнале Science Advances, показывает, что винная кислота изменяет электрохимическое осаждение, улучшая разделение никеля и кобальта при переработке аккумуляторов.

Переработка металлов в батареях вскоре может стать более эффективной и устойчивой благодаря натуральному соединению, содержащемуся в винограде. Исследование, опубликованное в научном журнале Достижения науки Фактически, это демонстрирует, что винная кислота, биокислота, широко распространенная в природе, может облегчить разделение кобальта и никеля во время восстановления материалов из литий-ионных батарей. Метод извлекает до 99,1% кобальта при первоначальных испытаниях и восстанавливает более 95% металлов в непрерывных системах. Если эта технология будет подтверждена в промышленном масштабе, она сможет снизить затраты и воздействие операций по переработке на окружающую среду, одновременно укрепив безопасность поставок критически важного сырья для энергетического перехода.

Насколько важны кобальт и никель в современных батареях?

Кобальт и никель являются важными компонентами литий-ионных аккумуляторов и многочисленных промышленных технологий. Эти металлы используются в батареях для смартфонов, электромобилях и системах хранения, а также в суперсплавах и катализаторах, используемых в аэрокосмической и химической промышленности.

Мировой спрос на эти материалы быстро растет. Расширение электрической мобильности и возобновляемых источников энергии требует постоянно растущего количества критически важных металлов для производства более эффективных и долговечных батарей. Однако доступность ресурсов не безгранична, и первичное производство сосредоточено в нескольких странах.

В этом контексте переработка аккумуляторных металлов представляет собой одну из основных стратегий, гарантирующих стабильные поставки и снижающих зависимость от шахт. Восстановление материалов из аккумуляторов в конце их срока службы позволяет повторно ввести их в производственную цепочку, способствуя развитию безотходной экономики энергетических технологий.

Почему разделение некоторых металлов при переработке так сложно?

Несмотря на важность переработки, разделение никеля и кобальта является одним из наиболее сложных этапов промышленных процессов. Эти два элемента имеют очень схожие химические свойства и почти одинаково реагируют при электрохимической обработке.

Это сходство затрудняет их восстановление в чистом виде без использования длительных, дорогих и зачастую жестких химических процессов. В настоящее время широко распространенные технологии переработки включают в себя различные этапы обработки и разделения, что увеличивает эксплуатационные расходы и воздействие на окружающую среду.

Проблема становится еще более актуальной, учитывая рост потоков использованных аккумуляторов из автомобильного сектора и бытовой электроники. Поэтому повышение эффективности методов разделения является решающим шагом на пути к тому, чтобы переработка металлов аккумуляторов стала по-настоящему устойчивой.

Как виноградная винная кислота улучшает отделение металлов?

Исследование провела группа ученых из Университета Джонса Хопкинса, которые изучали использование биокислот для облегчения электрохимического разделения металлов. Авторы протестировали 13 различных органических кислот биологического происхождения, чтобы определить наиболее эффективную в различении никеля и кобальта.

Из всех проанализированных молекул винная кислота – соединение, естественным образом присутствующее в винограде – оказалась наиболее эффективной. Эта биокислота избирательно взаимодействует с ионами металлов: она легче связывается с никелем, удерживая его в растворе, тогда как кобальт может быть восстановлен первым в ходе электрохимического процесса.

Чтобы проверить поведение молекул, исследователи также использовали компьютерное моделирование, которое подтвердило большее сродство винной кислоты к никелю на атомном уровне.

Этот механизм позволяет повысить селективность разделения, не прибегая к использованию более агрессивных реагентов.

Как происходит процесс электроэкстракции металлов в аккумуляторах?

Разработанный исследователями метод основан на электроэкстракции, или электродобычаметод, который использует электрический ток для нанесения металлов, растворенных в растворе, на твердую поверхность.

Принцип аналогичен покрытию драгоценными металлами, используемому в ювелирных изделиях. Раствор, содержащий ионы металлов, пропускают через электрический ток, который вызывает осаждение металла на электроде.

В случае литий-ионных аккумуляторов процесс начинается с химической обработки катодных материалов. После растворения металлов в растворе стадия электроэкстракции позволяет извлечь их в отдельную форму.

Введение винной кислоты изменяет химическую среду раствора и позволяет лучше контролировать порядок осаждения металлов. Таким образом, система способна сначала изолировать кобальт, а затем никель, повышая эффективность переработки металла в батареях.

Какие результаты получили эксперименты?

Результаты экспериментов показывают очень высокую производительность. В ходе первоначальных серийных испытаний этот процесс позволил восстановить 99,1% кобальта, присутствующего в растворе, полученном из катодного материала батарей.

Впоследствии исследователи протестировали систему в конфигурации с непрерывным потоком, более близкой к промышленному применению. В этом случае методом было достигнуто извлечение 95,1% кобальта и 96,5% никеля.

Эти значения указывают на то, что технологию можно применять в более крупных масштабах при сохранении высокой эффективности разделения. По мнению авторов исследования, этот подход представляет собой универсальную стратегию разделения критически важных переходных металлов и улучшения операций по восстановлению ресурсов.

Какую пользу это может принести аккумуляторной промышленности и цепочкам поставок?

Более эффективная система разделения металлов может оказать существенное влияние на всю цепочку поставок аккумуляторов.

Для компаний, занимающихся переработкой отходов, подобные технологии могут сократить количество этапов, необходимых в промышленных процессах, и уменьшить использование агрессивных химикатов. Это означает более низкие эксплуатационные расходы и меньшее воздействие на окружающую среду.

Однако для производителей аккумуляторов большая доступность восстановленных металлов может стабилизировать цены на сырье и сделать цепочку поставок более устойчивой.

С точки зрения потребителя, более эффективные системы восстановления помогают снизить общую стоимость аккумуляторных технологий, от электромобилей до домашних систем хранения данных.

Следующие шаги в исследованиях по вторичной переработке металлов в аккумуляторах

Сейчас исследовательская группа работает над тестированием технологии на реальных отходах аккумуляторов, проверяя поведение процесса в условиях, приближенных к промышленному производству.

Ученые также полагают, что тот же подход можно адаптировать для разделения других важных металлов, используемых в энергетических технологиях.

Если эти результаты подтвердятся в промышленном масштабе, использование биокислот, таких как винная кислота, может стать конкретным решением для улучшения переработки металлов в батареях, снижения воздействия процессов восстановления на окружающую среду и укрепления циркулярной экономики критически важного сырья.