Ученые научились восстанавливать литиевые аккумуляторы почти до заводского состояния

Новые методы продления жизни батарей

Исследователи из Корнеллского университета (США) и Фуданьского университета (Китай) разработали революционные технологии для восстановления литий-ионных аккумуляторов. Эти методы позволяют возвращать батареям почти заводскую мощность и совершенно меняют подход к утилизации отработанных элементов питания.

Проблема деградации литий-ионных батарей

По мере эксплуатации литий-ионных аккумуляторов на электродах нарастает толстый межфазный слой SEI (Solid Electrolyte Interphase). Изначально эта тонкая пленка необходима для корректной работы устройства, но после тысяч циклов зарядки-разрядки она утолщается, повышается сопротивление, и критически падает рабочая емкость. Именно этот налет становится главной причиной выхода из строя батарей, которые структурно остаются исправными.

Традиционная утилизация отработанных батарей — сложный и экологически грязный процесс. Детали полностью разрушают, измельчают в порошок, а затем с помощью высоких температур или агрессивной химии извлекают ценные металлы. Компаниям приходится создавать новые электроды, что требует значительных затрат.

Технология электрохимической ванны DEER

Команда инженеров Корнеллского университета предложила бережный подход к переработке аккумуляторов. Новая технология получила название DEER (Direct Electrode-to-Electrode Regeneration) — прямая регенерация «электрод-в-электрод». Вместо разрушения компонентов специалисты аккуратно вскрывают отработанный аккумулятор и достают целые электроды, которые подключают к токосъемнику и помещают в электрохимическую ванну.

В ванне используется специальный химический раствор на основе 1,3-диметил-2-имидазолидинона (DMI), который мягко растворяет вредный утолщенный слой межфазного соединения. После обработки электроды сохраняют механическую целостность, а на поверхности формируется тончайшая защитная пленка из фторида лития. Она повышает общую стабильность устройства и заметно замедляет дальнейший износ.

«Лечебная инъекция» от китайских ученых

Ученые Фуданьского университета разработали альтернативный метод восстановления батарей. Их подход напоминает процедуру переливания крови — без разборки аккумулятора восполняют дефицит ионов лития через микроскопические каналы. Через катетер вводится раствор соли лития трифтометилсульфоната с молекулами-носителями заряда.

Молекулы-носители специально подбирали так, чтобы состав хорошо растворялся в электролите, участвовал в реакциях, не повреждая внутреннюю среду батареи, и обладал высокой степенью совместимости с различными активными материалами. Поиск идеального кандидата занял ученым четыре года.

Результаты восстановления и циклы зарядки

Эксперименты показали впечатляющие результаты. Технология DEER восстанавливает аккумуляторы до 95% от своей первоначальной емкости. Когда исследователи повторили процесс для аккумулятора, который прошел уже второй жизненный цикл, деталь сохранила около 90% первоначального заряда.

Метод «лечебной инъекции» оказался еще более эффективным — восстановленная батарея потеряла всего 4% энергоемкости спустя 11 818 циклов зарядки-разрядки. Обычно емкость литиевых аккумуляторов снижается на 20–30% спустя 1500–2000 циклов зарядки. После обработки батареи способны выдерживать до 12 тысяч циклов.

Экономические и экологические выгоды

Технико-экономический анализ показал потенциальное снижение стоимости восстановления отработанных ячеек на 56% по сравнее с традиционной пирометаллургией и гидрометаллургией. Метод сокращает число этапов переработки: не нужно разрушать электрод, извлекать никель, кобальт, марганец, литий, медь и алюминий, а затем заново синтезировать и наносить активные материалы.

Вдобавок технологии существенно снижают потребление пресной воды и выбросы вредных веществ в атмосферу. Авторы проекта планируют адаптировать технологию для крупных промышленных систем хранения энергии.

Перспективы применения

Внедрение таких технологий позволит значительно снизить стоимость электромобилей, продлить жизнь смартфонов и ноутбуков, а также уменьшить экологический вред от утилизации батарей. По расчетам ученых, использование восстановленных батарей в электромобилях может продлить их срок службы до 18 лет.

Сейчас обе технологии находятся на стадии тестирования и совершенствования в лабораториях. Их коммерческое применение может кардинально изменить рынок электромобилей и портативной электроники, сделав аккумуляторы почти вечными и полностью экологичными.