A Cornell DEER eljárása eltávolítja a teljesítményfokozó felhalmozódást
A nagy kép: A Cornell Egyetem kutatói kifejlesztettek egy módszert a lítium-ion akkumulátorok újrahasznosítására anélkül, hogy először nyersanyaggá bontanák őket. Módszerük, az úgynevezett Direct Electrode-to-Electrode Regeneration vagy DEER, helyreállítja az elhasználódott akkumulátorelektródákat, így azok újra felhasználhatók. Az eredmények azt sugallják, hogy egyes elektromos járművek akkumulátorait alacsonyabb költséggel és kevesebb energiával lehetne felújítani, mint a hagyományos újrahasznosítási módszerek, bár ez a folyamat nem működik minden leromlott cellánál.
A munka az elöregedő lítium-ion akkumulátorok egyik gyakori problémájára összpontosít: az elektródákon való lerakódásra. Az akkumulátorok töltése és kisütése során a szilárd elektrolit interfázisnak (SEI) ismert réteg növekszik a felületükön. Némi SEI szükséges, de túl sok lelassítja az elektronok mozgását és csökkenti az akkumulátor kapacitását.
A Cornell-eljárás során a kutatók szétszedik a használt sejteket, és az elektródákat 1,3-dimetil-2-imidazolidinont vagy DMI-t tartalmazó elektrokémiai fürdőbe helyezik. A kezelés eltávolítja a vastagabb SEI réteget anélkül, hogy magát az elektródát tönkretenné. A felújított elektródák ezután felhasználhatók új akkumulátorcellák építésére.
A kutatók arról számoltak be, hogy a regenerált sejtek visszanyerték eredeti kapacitásuk 95%-át. Azt is megállapították, hogy a kezelt akkumulátorok lassabban bomlanak le, mint a kezeletlenek. A kezeletlen leromlott akkumulátorok ciklusonként 0,072%-kal veszítettek kapacitásukból, szemben a DEER-en keresztül helyreállított akkumulátorok ciklusonkénti 0,042%-ával. Az alacsonyabb lebomlási sebesség körülbelül 800 cikluson keresztül megmaradt, mielőtt növekedett.
A kezelés második köre a korábban regenerált akkumulátort visszahozta eredeti kapacitásának 90%-ára. Ez azt sugallja, hogy a folyamat többször is meghosszabbíthatja az elektródák élettartamát, az akkumulátor állapotától függően.
A megközelítés eltér a legtöbb kereskedelmi újrahasznosítási módszertől. A hagyományos rendszerek jellemzően a kimerült akkumulátorokat aprítják vagy zúzzák fekete tömegnek nevezett keverékké. Az újrahasznosítók ezután magas hőt, vegyszereket vagy mindkettőt használnak a lítium, kobalt, nikkel, mangán, réz és alumínium kinyerésére.
Ezek a módszerek értékes anyagokat nyernek vissza, de megsemmisítik az elektródákat és más, esetleg még használható alkatrészeket is. A DEER kevésbé kezeli az akkumulátort fémforrásként, és inkább javítható alkatrészeket tartalmazó eszközként.
Ez hasznos lehet az elektromos járművek akkumulátorainál. Az elektromos járművek akkumulátorait gyakran eltávolítják a járművekből, miután azok eredeti kapacitásuk 70-80%-ára csökkennek. Ezen a ponton az akkumulátorok már nem felelnek meg az autók hatótávolságára és teljesítményére vonatkozó követelményeknek, de sok elektródájuk továbbra is működik.
A Cornell-módszer nem minden akkumulátorhoz alkalmas. Akkor működik a legjobban, ha a teljesítménycsökkenést főként a SEI felhalmozódása okozza. A lítiumveszteséggel, repedt részecskékkel, szerkezeti sérülésekkel vagy mechanikai meghibásodással rendelkező akkumulátorok továbbra is hagyományos újrahasznosítást igényelnek.
Vannak gyakorlati akadályok is. Az elektródákat ki kell venni az akkumulátorból, meg kell dolgozni és ki kell mosni, mielőtt újra felhasználnák őket. A kutatók megpróbálták közvetlenül ép sejtekbe fecskendezni a DMI-oldatot, de az eredmények rosszak voltak. Ez azt jelenti, hogy az eljárás kereskedelmi változata az akkumulátor szétszerelését és az elektródák anyagának gondos kezelését igényelné.
Cornell becslése szerint a DEER által újrahasznosított cellák kilogrammonként 15,25 dollárba kerülhetnek, míg a pirometallurgiával vagy hidrometallurgiával történő újrahasznosítás 26,31 dollárba kerül. A becslés nem tartalmazza a DMI-megoldás visszanyerését, amely a folyamatköltség mintegy 63%-át teszi ki. A vegyi anyag újrafelhasználása javíthat a gazdaságosságon, ha a módszer túlmutat a laboratóriumi vizsgálatokon.
A kutatás során az akkumulátor-újrahasznosító cégek és a kutatók olyan módszereket keresnek, amelyekkel kezelni lehetne az elöregedő elektromos járművek akkumulátorainak növekvő kínálatát. Noha ezen módszerek közül sok továbbra is a fémek visszanyerésére összpontosít, a DEER más lehetőséget kínál. Ahelyett, hogy a használt akkumulátort azonnal vegyi összetevőkre csökkentené, megpróbálja megmenteni az elektródát, mielőtt ez szükségessé válna.