В условиях стремительного роста рынка электромобилей и глобального перехода к устойчивым источникам энергии, проблема утилизации отработавших литий-ионных аккумуляторов становится все более актуальной. Традиционные методы переработки, такие как гидро- и пирометаллургия, хотя и позволяют извлекать ценные металлы, зачастую не способны восстановить функциональность катодных материалов, что приводит к потерям ресурсов и увеличению экологического следа.
Исследовательские группы из Института физики твердого тела при Хэфэйских институтах физических наук Китайской академии наук, совместно с учеными из Шэньчжэньской международной аспирантуры Университета Цинхуа и Сучжоуского политехнического университета, разработали новаторский подход к прямой регенерации катодных материалов LiFePO4 из отслуживших свой срок аккумуляторов электромобилей. Этот метод использует природные доноры электронов — чайные полифенолы — для осуществления экономически выгодного, энергоэффективного и экологически чистого процесса омоложения деградировавших катодов.
Масштабы проблемы утилизации аккумуляторов электромобилей впечатляют: по прогнозам, к 2030 году только в США и Европе ежегодно будет выходить из строя более 250 000 тонн литий-ионных батарей. Добыча сырья для производства новых аккумуляторов сопряжена со значительным воздействием на окружающую среду, включая разрушение экосистем и загрязнение водных ресурсов. Традиционные методы переработки, хотя и являются основным способом возвращения ценных металлов в производственный цикл, часто требуют высоких температур и агрессивных химических реагентов, что увеличивает энергопотребление и образование отходов.
В отличие от них, новая технология направлена на восстановление структурной целостности катода без его полного разложения до элементного уровня. В основе методики лежит синергетическое взаимодействие гидроксильных групп чайных полифенолов, известных своими сильными электронодонорными свойствами, с дополнительными солями лития. Этот биологический донор электронов инициирует процесс восстановления, превращая деградировавшие фазы FePO4 обратно в функциональный LiFePO4. Одновременно происходит устранение дефектных участков, препятствующих подвижности ионов лития, что критически важно для обеспечения высокой производительности батареи.
Исследование, опубликованное в журнале Advanced Materials, демонстрирует, что такое взаимодействие восстанавливает исходную стехиометрию и кристаллическую структуру LiFePO4, а также исправляет дефекты типа «литий-железо на анти-узлах», тем самым воссоздавая кристаллическую решетку и восстанавливая быстрые пути диффузии ионов лития. Дополнительно, для решения проблемы поврежденных или отсутствующих проводящих углеродных слоев, в процессе регенерации используется источник алюминия. Он вступает в реакцию, образуя композитное поверхностное покрытие из аморфного фосфата алюминия (AlPO4) и фосфата лития (Li3PO4). Это покрытие восстанавливает целостность поверхности и воссоздает двойные ионно-электронные транспортные каналы, повышая скоростные характеристики и электрохимическую стабильность катода.
Введение алюминия в объемную матрицу катода также обеспечивает структурное упрочнение за счет частичного легирования, что подавляет миграцию ионов железа — частую причину снижения емкости. В результате регенерированный катод LiFePO4 демонстрирует повышенную долговечность при циклировании без ущерба для своей исходной энергоемкости. Этот протокол прямой регенерации, основанный на природных донорах электронов, не только оживляет отработавшие катоды LiFePO4, но и полностью соответствует глобальным требованиям к экологически безопасному и устойчивому управлению жизненным циклом аккумуляторов.
Технология позволяет избежать высокого энергопотребления и образования опасных химических отходов, характерных для металлургических методов, предлагая масштабируемое решение, которое может значительно снизить затраты на переработку и экологическую нагрузку. Этот прорыв открывает пути для инновационного дизайна аккумуляторов и систем их переработки, способствуя формированию замкнутого цикла использования материалов и развитию циркулярной экономики в сфере хранения энергии. Исследование подчеркивает важность междисциплинарного подхода, объединяющего химию, материаловедение и инженерную экологию, для решения сложных задач энергетического сектора, демонстрируя, как природные соединения могут быть использованы для восстановления передовых материалов.