Дослідники розробили інноваційний метод прямого відновлення старих катодних матеріалів LiFePO4 із відпрацьованих акумуляторів електромобілів. Цей підхід використовує природні донори електронів, зокрема поліфеноли чаю, для здійснення низьковитратного, енергоефективного та екологічно чистого процесу омолодження деградованих катодів. Дослідження проводилося командами з Інституту фізики твердого тіла при Інституті фізики твердого тіла Китайської академії наук у співпраці з Міжнародною аспірантурою Шеньчжень Університету Цінхуа та Сучжоуським технологічним університетом.
Швидке впровадження літій-іонних акумуляторів у нових енергетичних транспортних засобах призвело до значного збільшення запасів відпрацьованих акумуляторів, що створює екологічні проблеми та проблеми сталого використання ресурсів. Традиційні методи переробки, такі як гідрометалургійні та пірометалургійні процеси, в основному відновлюють цінні метали, але менш ефективні у відновленні функціональності катодних матеріалів LiFePO4. Ці методи часто призводять до марнування ресурсів та збільшення екологічного сліду. Нова технологія відновлення зосереджена на ремонті матеріальної структури катода для відновлення його електрохімічної продуктивності без демонтажу до елементарного рівня.
У дослідженні, опублікованому в Advanced Materials, представлена стратегія, яка використовує поліфеноли чаю — природні сполуки, відомі своїми донорськими властивоніми електронів — для обернення деградації катодів LiFePO4. Цей біологічний донор електронів ініціює процес відновлення, який перетворює деградовані фази FePO4 назад на функціональний LiFePO4, одночасно зменшуючи дефектні ділянки, що перешкоджають мобільності іонів літію. Центральне місце в цій техніці відновлення займає синергетична взаємодія між донорами електронів на основі гідроксилу, присутніми в поліфенолах чаю, та додатковими солями літію. Ця комбінація відновлює вихідну стехіометрію та кристалічну архітектуру LiFePO4, одночасно ремонтуючи дефекти антисайту літію-заліза.
Метод ефективно реконструює решітку та відновлює шляхи швидкої дифузії іонів літію, критично важливі для високошвидкісної роботи акумулятора. Крім того, дослідження вирішує проблему пошкоджених або відсутніх провідних вуглецевих шарів. Дослідники ввели джерело алюмінію під час відновлення, яке реагує, утворюючи композитне покриття поверхні з аморфного фосфату алюмінію (AlPO4) та фосфату літію (Li3PO4). Це покриття відновлює цілісність поверхні та відновлює подвійні іонно-електронні транспортні канали, покращуючи швидкісну здатність катода та електрохімічну стабільність. Включення алюмінію до основної матриці катода також забезпечує структурне зміцнення шляхом часткового легування, що зміцнює каркас проти міграції іонів заліза. Ця міграція іонів, яка часто є основною причиною втрати ємності, ефективно пригнічується.
В результаті відновлений катод LiFePO4 демонструє розширену довговічність циклу без шкоди для його внутрішньої щільності енергії. Цей протокол прямого відновлення за допомогою природного донора електронів оживляє відпрацьовані катоди LiFePO4 та відповідає глобальному мандату щодо зеленого та сталого управління життєвим циклом акумуляторів. Технологія дозволяє уникнути високих енергетичних вимог та небезпечних хімічних відходів, типових для металургійних методів, пропонуючи масштабоване рішення, яке може значно зменшити витрати на переробку та екологічне навантаження.
Наслідки цього прориву виходять за межі екологічних переваг; відновлення катодних матеріалів на молекулярному рівні відкриває шляхи до інноваційного дизайну акумуляторів та систем переробки. Такі регенеративні стратегії мають потенціал трансформувати галузь літій-іонних акумуляторів, ефективніше замикаючи цикл, дозволяючи матеріалам багаторазово використовуватися, зберігаючи цілісність продуктивності, тим самим сприяючи циркулярній економіці в технологіях зберігання енергії. Багатодисциплінарний спільний підхід, що поєднує хімію, матеріалознавство та інженерію навколишнього середовища, підкреслює важливість інтегративних досліджень у вирішенні складних завдань в енергетичному секторі. Він демонструє, як біопохідні сполуки можуть бути використані для омолодження передових матеріалів, поєднуючи хімію природних продуктів з електрохімічною інженерією.
Хоча метод ще перебуває на стадії дослідження, його масштабованість та економічна життєздатність виглядають перспективними, особливо враховуючи низьку вартість та доступність природних донорів електронів. Майбутні напрямки включають оптимізацію параметрів процесу для промислового впровадження та поширення цієї стратегії відновлення на інші катодні хімії, що страждають від структурної деградації у відпрацьованих акумуляторах. Таким чином, дослідження окреслює парадигмальний зсув від ресурсно-екстрактивної переробки до відновлювальної методології в управлінні відпрацьованими літій-іонними акумуляторами. Це стале відновлення катодів LiFePO4 за допомогою природних донорів електронів та цільової реконструкції поверхні є маяком для технологій переробки наступного покоління, що сприяє екологічному управлінню та підтримує глобальний рух електрифікації.