Mikrohullámmal az akkumulátorok megmentéséért: Forradalmi katód-újrahasznosítási eljárást mutattak be

Ahelyett, hogy a régi lítium-ion akkumulátorok hulladékként halmozódnának fel, az amerikai Sandia Nemzeti Laboratórium (Sandia National Laboratories) kutatói egy új, mikrohullámú reaktorra épülő eljárást fejlesztettek ki azok katódjainak kinyerésére és újrahasznosítására. Az áttörést jelentő módszer nemcsak egyszerűen újrahasznosítja, hanem értéknövelő módon tovább is fejleszti, azaz „upcycling” eljárásnak veti alá az elhasznált energiatárolók anyagait. A hagyományos, magas hőmérsékletű eljárásoknál jelentősen gyorsabb és költséghatékonyabb technológia segítségével a jövőben a leselejtezett akkumulátorok jelenthetik a kritikus nyersanyagok új, biztonságos belföldi forrását.

A globális kobaltfüggőség és az ellátási lánc kihívásai

A lítium-ion akkumulátorok napjainkban már szinte mindent működtetnek az okostelefonoktól és fülhallgatóktól kezdve az elektromos járműveken (EV) át a hálózatba integrált, nagyléptékű energiatároló rendszerekig. Ezen akkumulátorok legköltségesebb és egyben legkritikusabb eleme a pozitív elektróda, azaz a katód (amelyet a telepeken a pluszjel jelöl). Ennek a komponensnek a gyártása nagymértékben függ egy szűk körű, korlátozott számú országból származó ásványianyag-ellátástól, különös tekintettel a lítiumra és a kobaltra. A világ kobaltkitermelésének mintegy 70 százalékáért például egyetlen ország, a Kongói Demokratikus Köztársaság felelős.

Clare Davis-Wheeler Chin, a Sandia laboratórium nanoanyag-kémikusa és az új módszer egyik feltalálója külön felhívta a figyelmet arra, hogy a kobalt kritikus alapanyagnak számít szinte az összes modern fogyasztói elektronikai cikk esetében. Mivel az ellátás nagyrészt egyetlen fő forrásból származik, a kobalt globális láncolata rendkívül sérülékeny. A kutató rávilágított: a világ hamarosan hatalmas mennyiségű, élettartama végét elért régi elektromosjármű-akkumulátorral fog szembesülni. Ezek vagy a hulladéklerakókba kerülnek, vagy lehetőség nyílik arra, hogy „kibányásszák” őket, ezáltal egy stabil belföldi nyersanyagellátást hozzanak létre. Természetesen ezeket az energiatárolókat eredetileg nem arra tervezték, hogy élettartamuk végén könnyen szétszereljék és visszanyerjék belőlük a fémeket, így a kutatócsoportnak jelentős tudományos munkát kellett abba fektetnie, hogy a katódokat sikeresen kinyerjék és egy iparilag is használható porrá alakítsák.

Innováció a mikrohullámú reaktorban: 7 nap helyett 2 óra

A kutatócsoport a kémiai folyamathoz egy olyan mikrohullámú reaktort alkalmaz, amely fizikai méretében és energiafogyasztásában is egy hagyományos háztartási mikrohullámú sütőhöz hasonlít, ám technológiailag annál sokkal jobban és precízebben szabályozható. A reaktorban egy nagyméretű, pozitív töltésű ion – amelynek mechanizmusa a tudósok elmondása szerint a hajbalzsamokban található aktív hatóanyagokéhoz hasonlítható – segítségével a régi katódport apró, rendkívül finom rétegekre, úgynevezett nanorétegekre tudják nyitni.

Davis-Wheeler Chin rámutatott arra a fizikai sajátosságra, hogy a mikrohullámok rendkívül hatékonyak a víz felmelegítésében. Érdekesség, hogy a háztartási ételmelegítésnél gyakran frusztráló jelenség, az egyenetlen hőeloszlás ebben az ipari folyamatban kifejezetten előnyösnek bizonyul a katódanyagok gyors lebontása során. A kísérletek során rögzített mennyiségi adatok látványosak: a mikrohullámú eljárás a régi lítium-ion akkumulátorok leggyakoribb katódanyagának számító porított lítium-kobalt-oxid nanorétegekké történő átalakítási idejét az eddigi hét napról mindössze két órára csökkentette le. Emellett a feldolgozás hatékonysága is drasztikusan javult. Míg a korábban használt eljárásokkal az anyagnak csupán a 60 százalékát tudták nanorétegekké konvertálni, az új Sandia-módszer már a bevitt anyag 95 százalékát képes sikeresen átalakítani. A módszer kidolgozásában aktívan részt vett Kirsten Jones, a Sandia laboratórium korábbi gyakornoka és a New Orleans-i Egyetem jelenlegi doktorandusza is.

„Öngyógyító” nanorétegek és a kémiai ioncsere

Az új mikrohullámú nanoréteges eljárás egy további, ipari szempontból is hatalmas előnnyel rendelkezik: a folyamat során automatikusan kijavítja a katódanyagban a többéves használat és töltési ciklusok során keletkezett mikroszkopikus hibákat, sőt, maradéktalanul eltávolítja a szennyeződéseket is. A ma alkalmazott, meglévő katód-újrahasznosítási eljárások többszöri, költséges és időigényes további lépések nélkül nem képesek „meggyógyítani” ezeket az anyagi defekteket.

A kutatási projekt során egy másik tudós, Leung még 2022 őszén végzett számítógépes szimulációi jelezték előre annak az elméleti lehetőségét, hogy a fémionok cseréje egyáltalán lehetséges. A kutatók ezt követően több különböző módszer alkalmazásával sikeresen bizonyították, hogy az anyagban lévő kobalt mintegy egykilencedét képesek nikkelre cserélni. Aliya Lapp, a Sandia elektrokémikusa – aki a projekt egy későbbi szakaszában csatlakozott a kutatócsapathoz, és szakmai útmutatást adott mind az ioncseréhez, mind pedig az értéknövelő újrahasznosítás leggazdaságosabb útjaihoz – elmondta, hogy a nikkel-helyettesített katódból eltávolított kobaltot ezt követően be lehet fogni, és egy további, új katódban ismét fel lehet használni. Ehhez a specifikus befogási eljáráshoz Anastasia Ilgen, a Sandia geokémikusa fejlesztett ki egy fém-szerves keretrendszeren alapuló innovatív módszert, amely szelektíven nyeri ki a lecserélt kobaltot a komplex reakcióelegyből. Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy az eljárás révén egyetlen régi katódból ténylegesen két újat tudnak előállítani.

Gazdasági potenciál és jövőbeli ipari kilátások

A kritikus ásványkincsek belföldi forrásának megteremtése során az egyik legfőbb kihívás annak biztosítása, hogy a régi akkumulátorokból nyert és „upcyclingolt” katódok a piacon olcsóbbak legyenek, mint a más országokból importált vadonatúj katódok vagy katódanyagok. Az amerikai Argonne Nemzeti Laboratórium által kifejlesztett gazdasági modellező eszköz segítségével végzett előzetes elemzések azt mutatják, hogy a Sandia új módszere képes legalább 30 százalékkal növelni a katód-újrahasznosítás nyereségességét a jelenleg iparági standardnak számító, legkorszerűbb újrahasznosítási technológiákhoz viszonyítva.

Aliya Lapp elektrokémikus kiemelte, hogy a technológia rendkívül széles körben skálázható és alkalmazható: az eljárás a jövőben kiterjeszthető más típusú akkumulátorok, például a nátrium-ion vagy a cink-ion akkumulátorok katódjaira is, feltéve, hogy a katód anyaga réteges interkalációs vegyület.

A kutatócsoport jelenleg is dolgozik a kémiai folyamat finomításán, beleértve az ioncsere mechanizmusának javítását és a megközelítés gazdasági megtérülésének még részletesebb vizsgálatát. A technológiát már két szabadalommal is levédték, és a laboratórium aktívan keresi az ipari partnereket a kooperatív kutatási megállapodásokhoz, a technológia licenceléséhez, valamint a technológia-kereskedelmi alap (Technology Commercialization Fund) pályázataihoz. Az eljárás innovatív jellegét mi sem mutatja jobban, minthogy a fejlesztést a rangos R&D 100 Awards díjra is nevezték. A kutatás kezdeti szakaszát a Sandia laboratórium belső LDRD (Laboratory Directed Research and Development) programja finanszírozta, míg a technológia érettségének növelését a Department of Energy (DOE) Energy I-Corps programja támogatta.

 Hivatalos források és hivatkozások:  

• Az Amerikai Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumához (DOE) tartozó Sandia Nemzeti Laboratórium (Sandia National Laboratories) hivatalos kutatóintézeti sajtóközleménye: Mining batteries, in a microwave

• Fotó: Mike Bird