Сегодняшний бум электромобилей — это завтрашние горы электронных отходов. Хотя предпринимаются различные попытки улучшить переработку аккумуляторов, большинство аккумуляторов электромобилей всё же оказываются на свалках.
Исследовательская группа из Массачусетского технологического института (MIT) хочет изменить это с помощью нового типа самоорганизующегося материала для аккумуляторов, который быстро распадается при погружении в простой органический раствор. В новой статье, опубликованной в журнале Nature Chemistry, исследователи показали, что материал может работать как электролит в функционирующей твердо-стадинной аккумуляторной ячейке, а затем возвращаться к своим исходным молекулярным компонентам всего за несколько минут.
Этот подход предлагает альтернативу измельчению аккумулятора в трудно перерабатываемую массу. Поскольку электролит служит соединительным слоем аккумулятора, при возвращении материала к исходной молекулярной форме весь аккумулятор разбирается, что ускоряет процесс переработки.
“До сих пор в аккумуляторной отрасли мы сосредотачивались на высокоэффективных материалах и конструкциях, а о том, как перерабатывать аккумуляторы со сложными структурами и трудноперерабатываемыми материалами, думали позднее,” - говорит первый автор статьи Юкио Чо, PhD.
“Наш подход — сначала применить легко перерабатываемые материалы и выяснить, как сделать их совместимыми с аккумуляторами. Проектирование аккумуляторов с прицелом на переработку с самого начала — это новый подход.”
Вместе с Чо работали аспирант Коул Финчер, Тай Кристофф-Темпеста, профессор керамики Ет-Минг Чан, приглашённый доцент Джулия Ортон, Сяобин Зуо и Гийом Ламур.
Как работает новый материал
Новый электролитный материал состоит из молекул, называемых «арамидные амфифилы» (AAs), которые структурно похожи на кевлар. Эти молекулы самоорганизуются в прочные нано-ленты, которые остаются стабильными, проводя ионы лития. Для улучшения проводимости исследователи добавили к молекулам полиэтиленгликоль (PEG), создавая пути для перемещения ионов.
При объединении нано-ленты формируют твердый электролит, способный выдерживать нагрузки при эксплуатации аккумулятора. Но при погружении в органический раствор нано-ленты быстро распадаются, а электролит полностью растворяется. Из-за этого аккумулятор разбирается — подобно тому, как сахарная вата растворяется в воде — и его катод и анод готовы к прямой переработке.
Проверка технологии на реальных аккумуляторах
Чтобы подтвердить концепцию, команда изготовила твердо-стадинный аккумулятор, используя распространённые материалы электродов: литий-железо-фосфат (катод) и литий-титан-оксид (анод). Электролит из нано-лент успешно транспортировал ионы лития между электродами, хотя его производительность уступала лучшим коммерческим образцам.
Недостаток связан с ограничением скорости переноса ионов лития между нано-лентами и электродами, однако главное в эксперименте — демонстрация возможности переработки, а не создание самого эффективного аккумулятора.
Новая концепция переработки аккумуляторов
Прорыв MIT демонстрирует новый принцип — проектирование аккумуляторов с прицелом на переработку, а не добавление перерабатываемости после разработки конструкции. Если подход будет реализован на практике, это позволит извлекать крупные объёмы лития и других критически важных минералов из аккумуляторов, снизить зависимость от добычи и стоимость материалов.
Существование технологии переработки аккумуляторов может иметь тот же экономический эффект, что и открытие новых литиевых рудников в США и поможет обеспечить внутренний рынок минеральными ресурсами, что особенно важно при росте числа электромобилей.
Перспективы
Исследователи признают, что массовое внедрение не произойдёт мгновенно: производители осторожно относятся к изменению конструкции и материалов. Однако по мере развития новых химий аккумуляторов за 5-10 лет появится возможность интегрировать перерабатываемые компоненты с самого начала.
Команда теперь работает над оптимизацией эффективности электролита, улучшением переноса ионов и тестированием совместимости с разными типами аккумуляторов. Работа поддерживается Министерством энергетики США и Национальным научным фондом, и может привести к созданию более устойчивой системы электромобилей.
Заключение
Саморазбирающийся электролит MIT — это радикально новый подход к проектированию аккумуляторов: они смогут разбираться сами, когда их срок службы истёк. Эта разработка — смелый шаг к решению одной из главных экологических проблем эпохи электромобилей, способная превратить горы отходов в возобновляемый источник ресурсов.