Блог

Aug 07, 2023

Феноменологический и количественный взгляд на деградацию положительных электродов из отработанного лития.

Scientific Reports Volume 13, Номер статьи: 5671 (2023) Цитировать эту статью 1188 Доступов 3 Подробности об альтметрических метриках Настоящее исследование посвящено феноменологическому наблюдению коррозии

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 5671 (2023) Цитировать эту статью

1188 Доступов

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Настоящая работа посвящена феноменологическому наблюдению коррозии фольги положительного электрода литий-ионных аккумуляторов, содержащих в качестве катодного материала LiNi0,6Co0,2Mn0,2O2 (НМК). Из-за присутствия влаги на поверхности НМК образуется локализованное скопление воды. Вода, поглощенная электролитом, вступает в реакцию с НМК при обмене Li+/H+, в результате чего повышение pH приводит к растворению фольги-носителя и характерному солевому налету на поверхности НМК. С увеличением относительной площади, занимаемой отверстиями в алюминиевой фольге с течением времени, был найден достаточно подходящий параметр, с помощью которого можно количественно определить степень коррозии. Степень деградации зависит от времени и влажности окружающей среды. Показано, что функциональная рециркуляция водоструйным методом уже неприменима для деградировавших фольг, поскольку механическая стабильность фольг снижается по мере развития коррозии. Литий, алюминий, сера и кислород были обнаружены в цветках с помощью SEM-EDX и спектроскопии лазерного разрушения (LIBS). Было обнаружено, что нижележащий слой NMC содержит в основном алюминий и значительно меньше лития, чем неразложившийся материал. Анализы с помощью SEM и рамановской микроскопии также показали, что активный материал также локально разлагается и, следовательно, больше не пригоден для функциональной переработки.

Литий-ионные аккумуляторы (LIB) стали доминирующей технологией хранения электрической энергии в последние десятилетия. Области применения этой технологии включают смартфоны, ноутбуки, планшеты, инструменты, а также мобильные приложения, такие как электрические велосипеды или электромобили. ЛИБ изготавливаются в различных исполнениях. Они доступны в виде цилиндрических, призматических или так называемых карманных ячеек. Например, в качестве катодных материалов используются LiCoO2 (LCO), LiMnO2 (LMO), LiNixMnyCozO2 (NMC), LiNixCoyAlzO2 (NCA) или LiFePO4 (LFP). В качестве анодных материалов используются графит и все чаще кремний или Li4Ti5O12 (LTO). LiPF6 часто используется в качестве проводящей соли в органическом электролите. Он обладает очень высокой ионной проводимостью и приводит к пассивации алюминиевого коллектора положительного электрода1.

Достигнув конца своего срока службы, литий-ионные аккумуляторы не представляют собой отходы, а являются важным источником сырья для всех тех элементов, которые остро необходимы для производства новых аккумуляторов. В промышленном масштабе в последние годы разработаны процессы, основанные на пирометаллургических, термических и гидрометаллургических стадиях процесса, в конце которых всегда происходит химическое разделение катодного материала (НМК), состоящего из лития, никеля, марганца и кобальта, на чистые соли отдельных элементов. Однако такие процессы требуют значительного количества энергии, а также самых разных реагентов2,3,4,5,6,7,8,9,10,11.

Напротив, в центр внимания науки попадают новые подходы, которые значительно более энергетически и ресурсоэффективны, чем используемые до сих пор процессы, которые в литературе называются прямой переработкой11 или функциональной переработкой12. Этот метод направлен на восстановление катодного материала с минимально возможным использованием реагентов, при этом в значительной степени сохраняя его морфологические, физические и химические свойства, чтобы его можно было использовать снова напрямую или регенерировать для производства новых аккумуляторных элементов12.

Первая в мире промышленная реализация принципа функциональной переработки — удаление покрытия с положительных электродов с помощью водоструйного процесса. В этом процессе покрытие, состоящее из NMC, проводящей сажи и связующего, аккуратно удаляется с алюминиевой несущей фольги с помощью струи воды под высоким давлением, к которой при необходимости могут быть подмешаны различные добавки. Эта сравнительно простая технология делает этот процесс наиболее эффективным и экологически чистым по сравнению с другими известными процессами промышленной переработки13. Особым преимуществом этого процесса является высокое качество восстановленного рециклата NMC, так что его можно использовать непосредственно в качестве добавки к новому катодному материалу для производства новых положительных электродов14.