Effect of element composition of cathode on the carbothermic reduction of spent lithium-ion electrode materials

Elke dag vertrouwen miljoenen mensen op lithium-ionbatterijen om hun telefoons, laptops en elektrische auto's van stroom te voorzien. Deze apparaten zijn wonderen van moderne techniek, maar ze hebben een levensduur. Wanneer een batterij niet meer oplaadt, wordt het afval, maar het is ook een schatkist vol waardevolle metalen zoals lithium, nikkel en kobalt. Het terugwinnen van deze materialen is cruciaal voor de toekomst van schone energie, omdat het de noodzaak om nieuwe mijnen te graven vermindert en voorkomt dat giftig afval zich opstapelt. Een veelbelovende manier om deze batterijen te recyclen is door ze te verhitten met koolstof, een proces dat de complexe batterijmaterialen afbreekt tot eenvoudigere vormen die gemakkelijk met water kunnen worden gewassen om het lithium te extraheren. Niet alle batterijen zijn echter op dezelfde manier gebouwd. De chemische samenstelling van de positieve elektrode, of kathode, van een batterij varieert aanzienlijk van het ene model naar het andere, en wetenschappers vroegen zich al lang af hoe deze verschillen het recyclingproces beïnvloeden.

Een team onderzoekers van de China University of Mining and Technology en Beichen Advanced Recycling Technology zette zich in om precies te begrijpen hoe de specifieke mix van metalen in de kathode van een batterij de manier waarop deze afbreekt tijdens dit verhittingsproces verandert. Ze richtten zich op drie veelvoorkomende typen nikkelrijke kathodes die in gebruikte batterijen worden gevonden: één met een evenwichtige mix van nikkel, kobalt en mangaan; één met een zeer hoog gehalte aan nikkel en zeer weinig mangaan; en een derde met bijna geen mangaan. Door deze gebruikte kathodematerialen te mengen met het grafiet van de negatieve elektrode van de batterij en ze in een gecontroleerde omgeving te verhitten, konden de onderzoekers de chemische reacties observeren terwijl ze plaatsvonden. Ze maten hoe de massa van het monster veranderde, de warmte die het absorbeerde of vrijgaf, en de snelheid waarmee de reacties plaatsvonden. Dit stelde hen in staat om het precieze pad in kaart te brengen dat de materialen volgden terwijl ze transformeerden van vaste batterijonderdelen naar terugwinbare metalen en zouten.

De studie onthulde dat de samenstelling van de kathode fungeert als een hoofdschakelaar voor het recyclingproces. De onderzoekers ontdekten dat het materiaal met het hoogste nikkelgehalte en bijna geen mangaan op de meest eenvoudige en voorspelbare manier afbrak. De reactie volgde een enkel, gestaag pad en vereiste een matige hoeveelheid energie om te beginnen en behield dat energieniveau gedurende het hele proces. In tegenstelling hiertoe gedroeg het materiaal met een meer evenwichtige mix van metalen zich als een complex, meerfasig evenement. Het vereiste een veel hogandere initiële energiepush om uit elkaar te vallen, en naarmate de reactie vorderde, veranderden de stappen die het nam, waardoor het moeilijker te voorspellen werd. Het materiaal met het hoogste mangaangehalte was de meest koppige van allemaal; het bood weerstand tegen het afbreken aan het begin, eiste de meeste energie om de stabiele structuur te overwinnen, en de reactie omvatte een kluwen van gelijktijdige stappen die het het moeilijkst te controleren maakten.

Deze verschillen zijn geworteld in de fundamentele aard van de betrokken metalen. Het onderzoek toonde aan dat nikkel en kobalt relatief gemakkelijk te reduceren zijn, wat betekent dat ze met minder inspanning van hun zuurstof kunnen worden gestript en in eenvoudigere vormen kunnen worden omgezet. Mangaan is echter veel moeilijker te reduceren en heeft de neiging om zijn structuur vast te houden, waarbij het fungeert als een stabilisator die het hele batterijmateriaal moeilijker afbreekbaar maakt. Wanneer de onderzoekers de hoeveelheid nikkel en kobalt verhoogden en mangaan verwijderden, daalde de totale energie die nodig was om de batterij te recyclen en werd het proces soepeler. Omgekeerd, wanneer mangaan in hogere hoeveelheden aanwezig was, versterkte het de interne structuur van de batterij, waardoor het recyclingproces tegen die stabiliteit moest vechten, wat alles vertraagde en het reactiepad ingewikkelder maakte.

Om te zien of deze bevindingen standhielden in een praktische setting, namen het team de verhitte materialen en waste ze met water om te zien hoeveel lithium ze konden terugwinnen. Ze ontdekten dat de temperatuur van het verhittingsproces cruciaal was. Als de temperatuur te laag was, braken de batterijmaterialen niet genoeg af om het lithium vrij te laten. Als de temperatuur te hoog was, begonnen de materialen samen te klonteren, waardoor het lithium erin gevangen zat. Het ideale punt voor alle drie de typen batterijen werd gevonden op 700 graden Celsius. Bij deze temperatuur waren de onderzoekers in staat om de hoogste hoeveelheid lithium uit elk materiaal te extraheren. De resultaten varieerden per samenstelling: het mangaanvrije materiaal leverde de meeste lithium op, gevolgd door de nikkelrijke mix, en tot slot de evenwichtige mix. Dit bevestigde dat hoe gemakkelijker een materiaal chemisch af te breken is, hoe efficiënter het waardevolle lithium kan worden teruggewonnen.

Uiteindelijk biedt dit werk een duidelijke handleiding voor hoe verschillende soorten gebruikte batterijen te behandelen. Het laat zien dat hoewel recycling mogelijk is voor al deze materialen, het recept voor succes verandert afhankelijk van wat erin zit. Batterijen met minder mangaan zijn gemakkelijker te verwerken en leveren betere resultaten op, terwijl die met meer mangaan meer zorgvuldige controle en hogere energie-inputs vereisen. Door deze specifieke chemische gedragingen te begrijpen, kunnen ingenieurs betere recyclinginstallaties ontwerpen die hun verwarmings- en verwerkingsmethoden aanpassen op basis van het exacte type batterij dat ze behandelen. Deze precisie zorgt ervoor dat de waardevolle hulpbronnen in onze oude batterijen efficiënt worden teruggewonnen, waardoor afval wordt omgezet in de grondstoffen die nodig zijn voor de volgende generatie schone energietechnologie.