Фотокатализатор с лимонной кислотой извлёк свыше 85% металлов из катодов отработанных Li-ion батарей

Исследователи описали фотокаталитическую систему на полном спектре солнечного света для извлечения критических металлов из катодов отработанных литий-ионных батарей, сообщает azom.com. Систему проверили при имитации солнечного света. Она сочетает лимонную кислоту, мягкую органическую кислоту, с многоразовым фотокатализатором (r-PC). Результаты опубликованы в Nature Communications в виде нередактированной версии принятой статьи. azom.comazom.comazom.comОткрыть источник ↗

Мотивация связана с масштабом: мировое производство литий-ионных батарей к 2030 году, как ожидается, достигнет 2,4 ТВт·ч. Традиционная переработка часто требует больших затрат энергии и агрессивных реагентов.

Фотокаталитическое выщелачивание металлов катода

r-PC получили из прекурсоров меламина и гексафторантимоната натрия с последующей высокотемпературной обработкой в азоте. Катодные порошки типов LCO, NCM и NCA получили, разобрав использованные батареи, разрядив их и механически отделив порошки. Выщелаты анализировали методом ICP-OES.

При освещении, эквивалентном одному солнцу, эффективность выщелачивания лития, кобальта, никеля, марганца и алюминия была высокой для всех проверенных катодов. В заданной смеси NCM:NCA (78:12:10 мас.%) выщелачивание превысило 85% для всех металлов без предварительной сортировки по химическому составу. В контрольных опытах без света или фотокатализатора эффективность была заметно ниже, а нехватка кислорода также снижала результат. azom.comazom.comazom.comОткрыть источник ↗

Опыты с ловушками радикалов показали, что фотогенерированные электроны помогали переводить Co³⁺ в лучше растворимую форму Co²⁺. Гидроксильные радикалы разрывали связи металл–кислород в структуре катода. Супероксидные радикалы участвовали в восстановлении и в образовании пероксида водорода in situ. ЭПР с DMPO и TEMPO подтвердил образование супероксида и участие электронов, а ферментативные тесты показали непрерывное образование пероксида без внешней добавки.

Повторное использование катализатора и расчёт экономики

Протонирование фотокатализатора в лимонной кислоте улучшило его диспергирование и активность и увеличило выработку пероксида водорода. Регенерированный катализатор сохранял около 95–97% исходной эффективности выщелачивания, за цикл возвращали около 90% катализатора. Модель процесса предполагала замену потерянных 10%.

Для LCO модель сжимающегося ядра указала на поверхностную химическую реакцию как лимитирующую стадию. Технико-экономический анализ дал положительную чистую приведённую стоимость за 15 лет. Процесс оказался дешевле маршрута с органической кислотой и добавкой пероксида, но по стоимости не превзошёл маршрут с неорганической кислотой. azom.comazom.comazom.comОткрыть источник ↗

Оценку жизненного цикла выполнили по модели EverBatt 2023 с данными инвентаризации по молочной кислоте. Она показала меньшие выбросы парниковых газов и расход энергии, чем в сравниваемых пирометаллургическом и гидрометаллургическом вариантах. О пилотной или коммерческой эксплуатации в статье не сообщается, расчётные преимущества ещё нужно проверить на большем масштабе.