Учёные нашли скорый и чистый способ получения лития из старых батарей

Литий — ключевой компонент различных аккумуляторов, от тех, что установлены в гаджетах, до сетевых накопителей энергии.


Несмотря на относительное изобилие в природе этого серебристо-белого металла, вскоре его дефицит обострится из-за сложной ситуации с поставками, на которую повлияли бум электромобилей и геополитические факторы. Глобальный рынок литий-ионных аккумуляторов по итогам 2023 года оценили в более чем 65 млрд $. Эксперты считают, что он вырастет более чем на 23% в ближайшие 8 лет, что наверняка отразится на поставках.

Что касается вторсырья, то извлечение лития из отслуживавших своё аккумуляторов обычно осуществляется крайне неэффективно, к тому же с экологическим ущербом. Вот почему учёные в Университете Райса, США, под руководством Пуликеля Аджаяна занялись этой проблемой.

Сотрудница лаборатории Сохини Бхаттачарья была одной из двух ведущих участниц исследования. Она сказала, что в последние годы происходит взрывной рост использования лития, что вызывает неизбежные опасения по поводу дефицита критически важных металлов, в том числе кобальта и никеля, которые также используются в катодах.

Исследователи описали метод избирательного извлечения лития с использованием биоразлагаемого растворителя и микроволнового излучения, который вдобавок оказался быстрым, эффективным и экологически чистым. Результаты показали, что инновационный способ дал возможность «вытягивать» до половины содержащегося в отработанных катодах лития всего за полминуты, поборов прежние трудности с переработкой аккумуляторов.

При традиционных методах переработки часто используются кислоты. Альтернатива — так называемые глубокие эвтектические растворители. Эти представители «зелёной» химии были синтезированы всего-то в начале двухтысячных и получили международное название deep eutectic solvents или DES. Они экологически чистые, но при их применении возникают трудности с эффективностью и экономичностью. Более того, современные методы переработки позволяют извлекать менее 5% лития. Такое происходит в основном из-за потерь в процессе, а также из-за энергоёмкого характера восстановления.

Сальма Алхашим, другой ведущий автор исследования, отметила, что скорость традиционного извлечения такая низкая из-за
свойства лития выпадать в осадок после всех иных металлов. Вот почему целью исследователей было понять, как же воздействовать непосредственно на этот целевой металл.

Учёные подобрали для своего успешного эксперимента растворитель из смеси хлорида холина и этиленгликоля. Первый из компонентов — это нужная в том числе человеческом организму соль аммония; сродни витаминам, она встречается не только в продуктах питания, но и в материнском молоке как его нормальная составляющая. Итак, выбор пал на первый компонент, потому что в ходе своего предыдущего научного проекта команда выяснила — во время обработки в этом растворителе литий выщелачивается за счёт хлорида холина.

Этиленгликоль — это кислородсодержащее органическое соединение, двухатомный спирт. В составе растворителя содержимого батарей он нужен для выщелачивания кобальта и никеля. Учтя, что из пары компонентов лишь хлорид холина вполне подвержен влиянию микроволн, экспериментаторы опустили отходы аккумуляторов в растворитель, а затем подвергли микроволновому излучению.

Бхаттачарья сказала, что благодаря этому им удалось избирательно выщелачивать литий. Воздействие микроволновым излучением для этого процесса аналогично тому, как бытовой электроприбор резво разогревает еду. Энергия передаётся непосредственно молекулам, так что реакция происходит намного шустрее, чем при иных методах нагрева.

В отличие от более традиционного нагрева в лабораторной масляной бане воздействие микроволнами позволяет достичь той же эффективности почти в сотню раз быстрее. Используя микроволны, учёные обнаружили, что для выщелачивания 87% лития нужно всего четверть часа, а не до полусуток, необходимых для извлечения при томлении в масляной бане.

Ещё одним плюсом оказалась химическая стабильность растворителя, добавила Алхашим. Дело в том, что метод масляной бани отнимает так много времени, что растворитель начинает при этом разлагаться. Напротив, при кратких циклах нагрева в микроволновке этого не происходит.

Новаторский метод способен существенно улучшить утилизацию лития, а также снизить воздействие на окружающую среду, отметил Пуликель Аджаян.