Химики СПбГУ создали быстрый и эффективный способ переработки графитных анодов литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы сегодня используются в бытовой электронике, сотовых телефонах, ноутбуках, цифровых фотоаппаратах, видеокамерах и электромобилях. Переработка литий-ионных батарей (ЛИБ) или аккумуляторов приобретает все большее значение как в мире, так и в России. Растущий интерес к изучению способов такой переработки связан со стремлением снизить воздействие на окружающую среду, возможностью извлечения ценных металлов из отработанных батарей и восстановлением работоспособности катодных и анодных материалов. Все это, с одной стороны, позволит существенно уменьшить вредное воздействие на экологию, с другой — повторно использовать материалы, а значит, снизить затраты на производство техники. Поэтому сегодня ученые активно исследуют возможные методы повышения эффективности таких батарей и способы их переработки.

Результаты исследования опубликованы в химическом научном журнале Journal of Environmental Chemical Engineering.

Сегодня при производстве литий-ионных батарей широко используется графит. Сложность переработки этой углеродной структуры состоит в том, что часто на переработанном графите образуется нестабильный и неоднородный твердый электролитный слой, это приводит к разрушению структуры графита и его ускоренному старению. Ученые СПбГУ предложили новый способ переработки графитовых анодов, который позволит не только проводить его очистку быстрее, но и формировать на верхнем слое структуры оксид графена — проводимую и устойчивую к деградации структуру.

«Предложенный нами метод отличается своей простотой — это одностадийный и менее затратный способ переработки отработанных графитовых анодов с использованием плазменного разряда над поверхностью жидкости при диспергировании (измельчении в порошок) графита», — рассказал научный сотрудник кафедры электрохимии СПбГУ Евгений Белецкий.

При переработке сначала происходит отделение графитовой намазки от медного токопровода — для этого графитовые листы просто перемешивают в дистиллированной воде. Из-за реакции лития с водой начинается обильное выделение газа, пузырьки которого «отрывают» покрытие от меди. Полученную дисперсию промывают, центрифугируют, переносят в реактор и добавляют в нее раствор перекиси водорода. Затем при постоянном перемешивании обрабатывают электрическим разрядом до 1000 Вт в вакууме. Между рабочим электродом и поверхностью дисперсии возникает тлеющий разряд, сопровождающийся ультрафиолетовым излучением и ударными волнами. Под их действием происходит постепенное разложение перекиси водорода с образованием активных частиц, в особенности гидроксильных радикалов. Они взаимодействуют с поверхностью диспергированных частичек, вызывая окисление как их самих, так и продуктов разложения электролита на них, а ударные волны способствуют отделению продуктов окисления от частиц. В результате получается поверхностно модифицированный графит, сохраняющий внутреннюю структуру, что обеспечивает сохранение емкости заложенного производителем графита плюс некий ее прирост за счет поверхностных модификатов.

В работе использовались ресурсные центры «Нанотехнологии», «Оптические и лазерные методы исследования вещества», «Физические методы исследования поверхности», «Рентгенодифракционные методы исследования» Научного парка СПбГУ. Работа выполнена в рамках стипендии президента РФ № СП-1045.2022.1. «Плазмоэлектрохимическая переработка использованных электродных материалов литий-ионных аккумуляторов для повторного применения в энергозапасающих устройствах».

Потребление энергии при использовании данного метода составляет от 6,9 до 28 Вт·ч на 1 кг графита — это в несколько сотен раз меньше, чем в традиционных методах переработки (пирометаллургия и гидрометаллургия), при которых все же нельзя выделить анодный графит. При этом время переработки также значительно меньше — всего 30–60 минут.

Добиться такого результата удалось благодаря особенности электрического разряда в жидкости. При направлении электроразряда в используемый раствор перекиси водорода образуются гидроксильные радикалы — OH — с высоким окислительным потенциалом из-за его разложения. Подобрав оптимальные условия для переработки графита таким способом, можно удалить из него различные добавки и продукты разложения компонентов электролита, что позволит добиться наилучших электрохимических характеристик переработанного материала, превосходящих исходный графит.