Перезаряжаемые твердотельные литиевые батареи — это новая технология, которая когда-нибудь сможет питать мобильные телефоны и ноутбуки в течение нескольких дней от одной зарядки. Предлагая значительно повышенную плотность энергии, они являются более безопасной альтернативой воспламеняющимся литий-ионным батареям, которые в настоящее время используются в потребительской электронике, но они не являются экологически чистыми.

Современные методы переработки направлены на ограниченное извлечение металлов, содержащихся в катодах, в то время как все остальное идет в отходы.

Группа исследователей из Penn State, возможно, решила эту проблему. Под руководством Энрике Гомеса, временного заместителя декана по вопросам справедливости и инклюзивности и профессора химической инженерии в Penn State College of Engineering, группа переделала конструкцию этих твердотельных литиевых батарей таким образом, чтобы все их компоненты можно было легко перерабатывать. Они опубликовали свои выводы в ACS Energy Letters .

«Поскольку потребность в перезаряжаемых батареях растет, нам нужно подумать о конце срока службы этой технологии», — сказал Гомес. «Мы надеемся, что наша работа выявит возможности переработки твердотельных батарей с помощью некоторых ключевых элементов дизайна».

Традиционно большинство основных компонентов аккумулятора отправлялись в отходы, поскольку они смешивались в процессе переработки , образуя «черную массу», по словам исследователей. Эта черная масса богата материалами, необходимыми для аккумуляторов, но их разделение остается проблемой. В твердотельных аккумуляторах использование твердых электролитов усугубляет эту проблему, поскольку они смешиваются с черной массой.

Чтобы легче отделить эти компоненты от других металлических компонентов в батарейке-таблетке, исследователи вставили два полимерных слоя на границе раздела электрода и электролита перед началом процесса переработки.

«Мы предположили, что, растворяя полимерный слой в процессе переработки, вы можете легко отделить электрод от электролита», — сказал И-Чен Лань, докторант в области химической инженерии и первый автор статьи. «Без полимерного слоя, разделяющего их, вы бы смешали электрод и электролит, что затрудняет их переработку».

После того, как исследователи успешно разделили компоненты, они создали композит из восстановленных металлов и электродов с помощью холодного спекания — процесса объединения порошковых материалов в плотные формы при низких температурах посредством приложенного давления с использованием растворителей.

Холодное спекание было разработано в 2016 году группой исследователей под руководством Клайва Рэндалла, директора Института исследований материалов Пенсильванского университета и выдающегося профессора материаловедения и инженерии. Недавно Гомес и его команда продемонстрировали переработку твердотельных электролитов с использованием холодного спекания.

«Мы использовали холодное спекание, чтобы объединить восстановленные электроды с восстановленными порошками композитного твердого электролита, а затем реконструировали батарею с добавлением полимерных слоев », — сказал По-Хао Лай, докторант в области химической инженерии и соавтор статьи. «Это позволяет нам перерабатывать всю батарею, которую мы затем можем снова перерабатывать после ее использования».

После проверки производительности они обнаружили, что восстановленная батарея достигла разрядной емкости от 92,5% до 93,8% от своей первоначальной емкости.

«Хотя коммерциализация полностью твердотельных литиевых батарей все еще находится на ранних стадиях, наша работа дает важные идеи и идеи для разработки перерабатываемых версий этих батарей», — сказал Лан. «Хотя мы еще не совсем достигли этого, долгосрочная цель — применить эту инновацию к более крупным батареям, которые можно будет использовать в таких устройствах, как мобильные телефоны и ноутбуки, как только полностью твердотельная технология станет более распространенной».