Электромобили оставляют после себя горы мёртвых литий-ионных батарей. Новая «инъекция» возвращает их к жизни

Группа исследователей из Китая нашла способ вернуть к жизни отслужившие свой срок литий-ионные батареи, что позволяет сократить количество отходов, которые быстро накапливаются из-за отработавших свой срок батарей электромобилей (EV), и уменьшить потребность в производстве новых батарей.

«Работа команды является революционной, поскольку предлагает новую идею повторного использования отслуживших свой срок батарей», — говорит Цзянгун Чжу из Университета Тунцзи в Шанхае, который изучает использование батарей в электромобилях и не принимал участия в новом исследовании, опубликованном недавно в журнале Nature.

Согласно докладу, опубликованному Программой развития ООН в сентябре прошлого года, объём отработанных литий-ионных батарей, которые необходимо утилизировать, вырастет с 900 000 метрических тонн в этом году до 20,5 млн метрических тонн к 2040 году. По словам Хуанга Цзяньчжуна, председателя Китайской ассоциации электронных энергосберегающих технологий, одобренной правительством, Китай, являющийся мировым лидером по внедрению электромобилей, уже перерабатывает 2,8 млн метрических тонн отработанных элементов в год.

Поскольку потребительские рынки и количество отходов быстро растут, Юэ Гао, химик из Фуданьского университета в Шанхае, и его коллеги ожидают увеличения спроса на литий-ионные батареи с большим сроком службы.

Срок службы батареи для электромобилей обычно заканчивается, когда её ёмкость падает ниже 80% от первоначального уровня, примерно через восемь-десять лет. На батарею приходится около 40% стоимости всего автомобиля.

Гао и его коллеги хотели найти молекулу, которая могла бы восстанавливать мёртвую клетку, насыщая её ионами лития. Но «мы понятия не имели, какие молекулы могут выполнять эту работу и какова их химическая структура, поэтому мы взяли себе в помощь машинное обучение», — говорит Чихао Чжао, аспирант Фуданьского университета, который является членом команды Гао, но не был соавтором нового исследования.

Исследователи использовали модель искусственного интеллекта, обученную правилам химии. Они загрузили в неё базу данных электрохимических реакций и заставили искать молекулы, которые отвечали бы их требованиям, например, хорошо растворялись в растворе электролита и были относительно дёшевы в производстве. Модель предложила три кандидата, и команда определила одного из них, соль под названием трифторметансульфинат лития (LiSO₂CF₃), как идеальный вариант.

Исследователи протестировали эту соль лития, растворив её в растворе электролита, который позволяет ионам проходить между положительным и отрицательным полюсами элемента. Гао сравнивает это с установкой капельницы пациенту. «Если мы можем сделать инъекцию больному человеку, чтобы помочь ему выздороветь, — говорит он, — то почему мы не можем сделать волшебное зелье для разряженных батарей?»

Гао и его коллеги обнаружили, что химическая смесь может значительно продлить срок службы литий-железо-фосфатного (LFP) элемента батареи. LFP-батарею, питающую EV, обычно можно зарядить, а затем разрядить около 2 000 раз, прежде чем она будет считаться «мёртвой» (когда её ёмкость опускается ниже отметки 80%). Добавляя электролит каждый раз, когда батарея приближалась к этому порогу, команда смогла восстановить большую часть ёмкости элемента, и он продолжал работать почти так же хорошо, как новая батарея. К концу эксперимента батарея восстановила 96% ёмкости после почти 12 000 циклов заряда-разряда.

Последующий эксперимент показал, что метод также работает с литий-ионными батареями NMC (никель, марганец и кобальт), говорит Гао.

В настоящее время Фуданьский университет сотрудничает с китайским производителем аккумуляторов Zhejiang Yongtai New Material, чтобы коммерциализировать этот метод, говорится в сообщении Yongtai, опубликованном в социальных сетях. Гао предполагает повсеместное распространение системы «станций зарядки аккумуляторов», куда владельцы электромобилей смогут привозить севшие источники энергии для восстановления.

Идея «многообещающая», — говорит Ченгуан Лю из Сианьского университета Цзяотун-Ливерпуль в Китае, который изучает материалы для аккумуляторов и не принимал участия в исследовании. Однако он отмечает несколько проблем. Например, необходимо обеспечить совместимость метода с различными химическими составами батарей, а также проверить безопасность восстановленных элементов.

Энергия в EV поступает не от одного простого элемента, а от блока батарей, который может состоять из сотен или даже тысяч элементов, а также систем терморегуляции и других компонентов. «Мы проводили эксперименты только с отдельными ячейками, и нам нужно найти способ применить его к целому блоку батарей», — говорит Гао.

По словам Ханса Эрика Мелина, аналитика в области повторного использования и переработки аккумуляторов и управляющего директора лондонской консалтинговой компании Circular Energy Storage, метод его команды пока ближе всего к «процессу прямой переработки» аккумуляторов для электромобилей в Китае. (В Китае некоторые деградировавшие батареи EV в настоящее время используются для питания других продуктов, требующих меньшей энергоотдачи, таких как электрические мопеды и станции хранения энергии. Другие дробятся и измельчаются в промышленные отходы, называемые «чёрной массой», из которой можно извлечь ценное сырьё, такое как литий и графит).

Мелин считает, что у предложения исследователей могут быть коммерческие возможности, хотя, по его словам, рынок, скорее всего, будет небольшим, поскольку срок службы батареи для электромобилей может достигать 15 лет. Кроме того, он отмечает, что для этого потребуется производить аккумуляторные блоки, конструкция которых позволит вводить электролит.

«Вопрос, — добавляет он, — в том, стоит ли овчинка выделки, если [требуемые изменения] каким-то образом нарушают другие аспекты конструкции, необходимые для работы батареи».