Хімічні джерела живлення, такі як звичайні батарейки, акумулятори, містять різноманітні метали у своєму складі. Іони металів, потрапляючи до природного середовища забруднюють його, вони є токсичними для багатьох живих організмів. Ці метали є рідкісними і дорогими. Тому, питання переробки старих, хімічних джерел електроживлення привертає увагу дослідницьких груп.
В літій-іонних акумуляторах міститься до 15 відсотків кобальту. Кобальт є достатньо дефіцитним і дорогим металом. Видобутком основної маси кобальту займаються всього лише кілька компаній в Демократичній Республіці Конго.
Доктор Бабу Гангулі з колегами (Університет Райс), розробив новий метод переробки відпрацьованих хімічних джерел електроживлення, в якому використовуються евтектичні розчинники (суміш різнофазних розчинників). Нові, так звані, глибокі евтектичні розчинники (DES), це евтектичні суміші донорів і акцепторів водневих зв’язків, які легко виготовляються з відносно нетоксичних і біорозкладаних розчинників. В дослідах використовувався розчинник з холін хлориду і етиленгліколю. Новий евтектичний розчинник (DES) випробовували на кількох зразках катодних відходів, зокрема на літійкобальт(III) оксиді (LCO).
В процесі переробки, до одного граму катодного зразка додають п’ять грамів розчинника і нагрівають то температури 130*С. За годину, безбарвна суміш розчинників стає блакитною, це вказує на те, що кобальт переходить в розчин. З отриманого розчину, метали осаджують електролізом. Осадити метали з розчину можна і додаванням натрій карбонату. В цьому випадку метали осаджуються у вигляді карбонатів, які відділяють фільтруванням.
Після того, як батарею розібрано, катод занурюють у евтектичний розчинник (DES), який потім нагрівається і перемішується, при цьому відбувається екстракція іонів кобальту і літію. На цьому етапі, алюмінієва фольга, вуглець та інші нерозчинні матеріали можуть бути відокремлені фільтруванням.
“Використовувані нами розчинники екологічно чисті. Нам вдалося відновити більше 90% кобальту, який містився у зразках відходів” – говорить Гангулі.
Процес відпрацьовують в лабораторних умовах. Ведеться робота над визначенням економічної ефективності нового методу переробки батарей. Як зазначає Гангулі, необхідні витрати і кількість розчинника визначаються експериментально, отримані дані дозволять розрахувати економічну ефективність нової технології.
Найбільш популярним методом відновлення металів з використуваних батарей, в промислових масштабах, є використання пірометалургії. Цей метод вимагає високих енергозатрат, оскільки для процесу необхідно підтримувати температуру більшу за 1400*C. Іншим варіантом переробки відходів батарей є гідрометалургія. В цьому методі використовується хлоридна, нітратна та сульфатна кислоти, які є небезпечними для працівників та навколишнього середовища.
“Наш метод є надійним. Після відновлення металів з розчину, розчинник переробляється”- каже Гангулі. Приблизно чотири з п’яти грамів розчинника можна відновити після кожного циклу процесу переробки, і використовувати знову.
Марк Форман , хімік матеріалознавець у Технологічному університеті Чалмерса в Швеції, сумнівається, що хімічний процес може бути надійним: “Високотемпературна обробка відходів батареї з використанням евтектичного розчинника обов’язково вплине на складові частини розчинника і змінить його склад”. Він підозрює, що екстракція металів може зруйнувати склад розчинника, розбавити його водою, в такому разі потрібно буде багато енергії, щоб відокремити воду і відновити властивості розчинника. “Крім цього, відновлення перехідних металів електролізом не дозволяє відокремити їх один від одного” – додає він. “Сплав кобальту з нікелем та іншими металами потрібно піддати додатковій переробці, для отримання чистих металів”.
Список літератури:
MK Tran et al. , Nature Energy , 2019, DOI: 10.1038 / s41560-019-0368-4