Хімічна ін’єкція повернула до життя відпрацьовані літійні акумулятори

Японські дослідники практично повністю відновили ємність літійних акумуляторів за допомогою речовини, яка відновлює електроди, що деградували. Відкриття вчених продовжить термін служби таких батарей і, отже, скоротить кількість небезпечних відходів.

У сучасному світі літійні акумулятори застосовуються повсюдно: від побутової електроніки до електромобілів. Такі батареї мають багато плюсів: вони швидко заряджаються, мають низький саморозряд і не вимагають обслуговування. Але є і мінуси. Головні — обмежений термін служби, зазвичай від 500 до 2000 циклів заряду — розряду, і небезпека, яку вони становлять для людей та навколишнього середовища.

У міру старіння літійні батареї «втрачають» частину матеріалу електродів, які дозволяють їм накопичувати енергію, що знижує енергоємність. В результаті акумулятори виявляються або на звалищі (у процесі розкладання вони виділяють шкідливі речовини, а іноді можуть спалахнути або взагалі вибухнути) або потрапляють до компаній, що займаються їх утилізацією. Фахівці розбирають батареї на складові, витягують матеріали, а потім піддають видобуту сировину вторинній переробці. 

Однак утилізація літійних акумуляторів займає багато часу, вона дорога і енергоємна. Тому вчені давно шукають способів, що дозволяють скоротити кількість етапів переробки. Одне з рішень запропонували японські інженери з науково-дослідного інституту T oyota Central R&D Labs., Inc. — технологію відновлення ємності акумулятора, яка не потребує його демонтажу.

Ця технологія заснована на впорскуванні у відпрацьований елемент певних реагентів, які звертають назад хімічне старіння батареї шляхом оновлення електрохімічно активного матеріалу, хоча і не виправляють накопичені в акумуляторі структурні пошкодження. Результати роботи опубліковані в журналі Joule.

Комерційні літійні акумулятори складаються з декількох основних компонентів. По-перше, це два електроди з протилежними знаками: анод, зроблений з графіту, і катод, зроблений з оксидів літію. Між анодом та катодом знаходиться тонкий пористий сепаратор, він утримує два електроди від короткого замикання. Ще в акумуляторі є електроліт, виготовлений з органічних розчинників та на основі солей літію, що дозволяє іонам літію переміщатися всередині комірки.

Під час заряджання електричний струм переміщує іони літію від катода до анода. При використанні акумулятора (під час розрядки) іони рухаються назад до катода. З часом весь цей процес призводить до зношування катода (його матеріал розтріскується і вже не може утримувати вихідну кількість атомів літію), в результаті ємність акумулятора починає знижуватися, тобто енергія так добре вже не накопичується в ньому. Іншими словами, щоразу, коли відбувається заряджання батареї, на кілька секунд скорочується її максимальний термін служби. 

Японські вчені спробували «оновити» у відпрацьованій батареї цей електрохімічно активний матеріал. Для цього дослідники протестували кілька можливих відновлювальних реагентів – речовин, які виробляють електроди під час хімічних реакцій. Експерименти показали, що реагент на основі нафталініду літію може збільшити кількість працездатного анодного та катодного матеріалу в батареї та відновити його до 80 відсотків від початкової ємності. Така ємність зберігалася протягом 100 циклів заряду – розряду.

За словами авторів роботи, новий спосіб дозволить у рази продовжити термін служби літійних батарей. Відпрацьовані акумулятори можна буде знову повернути до життя і використовувати в тих же електромобілях або інших пристроях, а не викидати на смітник або піддавати складній та дорогій утилізації.

Вчені випробували нову технологію відновлення не лише на малогабаритних батареях, а й великих автомобільних акумуляторах. В обох випадках вона добре себе зарекомендувала.

Проте, деякі фахівці скептично дивляться на відкриття колег. За словами інженера Жаклін Едж (Jacqueline Edge) з Імперського коледжу Лондона, перш ніж заявляти про успіх, необхідно провести низку довгострокових досліджень, щоб зрозуміти можливі побічні ефекти від введення хімічних речовин. 

«Спосіб, запропонований японськими інженерами, підходить тільки для акумуляторів, які зазнали дуже специфічної форми деградації. Цей спосіб буде корисний лише в тому випадку, якщо ви знаєте історію батареї або можете діагностувати, в якому стані вона знаходиться, за допомогою простих методів, які не руйнують її», — пояснила Едж.

Дослідницька група Toyota подала заявку на патент. Технологією японських інженерів вже зацікавилася низка компаній, а також урядових організацій. Серед останніх — американське Агентство передових досліджень у галузі енергетики.