Китайские ученые предложили метод восстановления Li-Ion батарей. Спасение от электронного мусора уже близко?

Исследователи из Фуданьского университета в Китае разработали метод восстановления литиевых батарей. Возможно, эта технология позволит сократить количество электронных отходов и одновременно снизить расходы на закупку аккумуляторов для бизнеса. Основы нового метода изложены статье ^[1] на Nature — об этом сегодня и поговорим.

Зачем восстанавливать батареи и как это делают

Литий-ионные элементы применяются в различных устройствах — от смартфонов до электромобилей. Производится таких элементов питания действительно много. В 2024 году объем мирового рынка литий-ионных аккумуляторов достиг ^[2] 42,1 млрд $, это на 8% больше, чем в 2023 году — тогда показатель составлял 38,91 млрд $. Все бы хорошо, но Li-Ion батареи относительно недолговечны — со временем их эффективность снижается из-за деградации электродов и побочных химических реакций.

Почему Li-Ion батареи со временем теряют емкость? Одна из главных проблем — захват лития ^[4] электродами. На аноде, который обычно состоит из графита, может формироваться ^[3] литиевое покрытие. Это приводит к снижению эффективности батареи и даже риску короткого замыкания. На катоде Li связывается с продуктами разложения электролита и образует неактивный слой. Он уменьшает доступное количество ионов лития для процесса зарядки-разрядки. В совокупности все это снижает емкость батареи, увеличивает ее внутреннее сопротивление и ускоряют деградацию.

И тут мы подходим к сути нового метода. Группа ученых во главе с Пэном Хуэйшэном и Гао Юэ из Фуданьского университета обнаружила особенное соединение — трифторметансульфонат лития (LiSO₂CF₃) — и научилась его синтезировать: его молекулы способны транспортировать Li прямо в электроды. Это белое порошкообразное соединение исследователи охарактеризовали ^[5] как «высокоточное средство восстановления литий-ионных аккумуляторов». При подаче напряжения соединение разлагается, высвобождая ионы лития, которые снова интегрируются в материал электрода, восстанавливая утраченную емкость. Но в процессе разложения выделяются побочные продукты: газы, включая диоксид серы (SO₂), трифторметан (HCF₃) и гексафторэтан (C₂F₆), которые естественным образом выделяются из электролита. Соответственно, у батареи должна быть возможность вывода газов, а над этим еще нужно работать. Если в автомобильных аккумуляторах вентиляция есть, то батареи смартфонов, планшетов и других гаджетов отводить газы «не умеют»: они просто вздуются, если внутри элемента питания образуются газы.

Продление срока службы с 1 500 до 12 000 циклов зарядки

После восстановления батарею герметизируют и тестируют, чтобы подтвердить ее работоспособность. Первые эксперименты показали, что литий-железо-фосфатные батареи, обработанные этим методом, могут восстановить практически всю утраченную емкость. Их срок службы увеличивается до 12 000 циклов зарядки. Для сравнения: срок службы обычного аккумулятора электромобиля составляет ^[5] около 1 500 циклов зарядки.

Авторы исследования комментируют:

«Восстановленная батарея потеряла всего 4% производительности после 11 818 циклов. Для электромобиля, заряжающегося дважды в день, это значит, что батарея может прослужить до 18 лет. Для сравнения: современные элементы питания машин обычно теряют 30% емкости всего за 2,7 года при таком же режиме зарядки»

Сейчас метод тестируют и совершенствуют в лаборатории. Для восстановления батареи в нее нужно просто долить воды добавить раствор LiSO₂CF₃. Потом батарея запечатывается ^[5] и тестируется: если все хорошо, ее снова пускают в дело.

Авторы идеи считают, что если удастся перевести технологию на коммерческие рельсы, это позволит уменьшить количество выбрасываемых батарей и увеличить срок службы перезаряжаемых литий-ионных элементов, особенно в крупных системах хранения энергии. Для широкого внедрения метода потребуется дополнительное тестирование и утверждение технологии нормативными органами. Но перспективы есть, так что ученые будут продолжать работу.

Что насчет электронного мусора?

С развитием технологий и ростом популярности электромобилей количество использованных литий-ионных батарей увеличивается в геометрической прогрессии. Только в Китае в 2020 году накапливалось около 500 тыс. тонн таких аккумуляторов, а к 2030 году прогнозируется ^[6] глобальное количество «батарейных отходов» в 2 млн тонн ежегодно.

На первый взгляд, решение очевидно — переработка. Литий-ионные батареи содержат ценные металлы, которые можно извлекать и использовать повторно. Но реальность далека от идеала: сейчас перерабатывается менее 5% таких аккумуляторов. В Австралии этот показатель и вовсе находится на уровне 2–3%, причем переработка осуществляется за границей. Остальная масса батарей отправляется на свалки, где токсичные вещества со временем начинают просачиваться в окружающую среду.

Почему же индустрия, которая так зависит от лития и редкоземельных металлов, не спешит внедрять масштабные перерабатывающие мощности? Причины — в сложности переработки, высокой стоимости процесса и отсутствии четкой системы сбора батарей. Производители сосредоточены на удешевлении аккумуляторов и увеличении их емкости, а не на их переработке: деньги на это никто тратить не хочет. 

Если аккумуляторы действительно начнут восстанавливать, увеличивая в разы срок их эксплуатации, это поможет сократить количество электронных отходов. Но до тех пор, пока массовая переработка остается нерентабельной, проблема утилизации литий-ионных батарей будет только усугубляться. Так что ждем новостей от китайских ученых.

• «Вечная» батарейка: как алюминий может изменить мир мобильных устройств ^[7]

• Натрий-ионные батареи станут массовыми? Новости из Китая ^[8]

• От Li-Ion к Li-S: новый тип аккумуляторов работает даже разрезанный пополам ^[9]