Selektywne wyodrębnianie litu z kwaśnych chlorkowych roztworów ługowych zużytych baterii

Dlaczego stare baterie wciąż mają znaczenie

Akumulatory litowo-jonowe zasilają nasze telefony, laptopy i samochody elektryczne, lecz lit w nich zawarty jest trudny do odzyskania, gdy baterie kończą swój żywot. Obecnie wiele tego litu ginie lub odzyskiwane jest dopiero po wielu kosztownych etapach. W tym badaniu analizuje się prostszy sposób wyodrębniania litu na wczesnym etapie z kwaśnego płynu powstającego przy chemicznym rozpuszczaniu pociętych baterii, z celem oszczędzenia energii, środków chemicznych i cennych metali.

Przekształcanie pociętych ogniw w użyteczny płyn

Nowoczesny recykling baterii często zaczyna się od tzw. „black mass”, ciemnego proszku powstającego przez rozdrabnianie zużytych ogniw. Ten proszek jest bogaty w lit, ale także w nikiel, kobalt, mangan i inne metale. Jednym z powszechnych podejść jest rozpuszczenie black mass w kwasie solnym, tworząc słony roztwór zawierający niemal wszystkie metale jednocześnie. Problem w tym, że dotychczasowe metody odzysku zwykle skupiają się najpierw na droższych metalach, zostawiając lit na koniec, gdy jest rozcieńczony, częściowo utracony i zmieszany z wieloma zanieczyszczeniami. Wcześniejsze odzyskanie litu z tego samego kwaśnego roztworu byłoby bardziej efektywne, ale wymaga materiału, który selektywnie chwyta lit, nie zabierając ze sobą innych metali.

Dopasowany płyn, który woli lit

Naukowcy zaprojektowali specjalną ciecz organiczną działającą jak filtr na poziomie molekularnym. Łączy ona trzy składniki: jony żelaza, powszechny rozpuszczalnik przemysłowy zwany fosforanem tributylu oraz kwaśną cząsteczkę pomocniczą znaną jako P507. Gdy ta faza organiczna miesza się z kwaśnym ługiem z baterii, jony litu przechodzą do cieczy organicznej znacznie chętniej niż nikiel, kobalt czy mangan. Zespół starannie dostroił stosunek między P507 a żelazem tak, aby ciecz mogła zarówno pobierać lit z ługu, jak i później uwalniać go do czystej wody, utrzymując żelazo związane w fazie organicznej do ponownego użycia.

Krok po kroku: z mieszanej zupy do czystego litu

Przetestowano dwa nieco różne układy procesu. W pierwszym faza organiczna była najpierw nasycana litem bezpośrednio z ługu baterii, a P507 dodawano później, aby ustabilizować układ. W drugim żelazo było najpierw załadowane do fazy organicznej przy użyciu prostego roztworu zasobowego, a dopiero potem ta ciecz kontaktowana była z rzeczywistym ługiem. Oba podejścia obejmowały następnie trzy kluczowe etapy: pranie, by wypłukać śladowe zanieczyszczenia; stripping, czyli przejście litu z fazy organicznej do wody; oraz regenerację przygotowującą fazę organiczną do kolejnego cyklu. Przy odpowiednim stosunku mieszania faz organicznej i wodnej oraz stosunku P507 do żelaza około 1,5–1,7 proces wyekstrahował ponad 90 procent litu przez kilka stopni kontaktu, pozostawiając nikiel i kobalt niemal całkowicie w pierwotnym roztworze.

Utrzymanie stabilności i ponownego użycia systemu

Zespół użył pomiarów w podczerwieni i w zakresie ultrafioletowo‑widzialnym, aby potwierdzić sposób interakcji żelaza i cząsteczek organicznych wewnątrz płynnego filtra. Testy wykazały, że żelazo pozostaje związane w formie utrzymującej się w fazie organicznej nawet wtedy, gdy poziom chlorków spada podczas przepłukiwania wodą. W rezultacie ten sam rozpuszczalnik może być ponownie używany w wielu cyklach bez istotnej utraty żelaza czy wydajności ekstrakcji. W sześciu powtórzeniach jednofazowa ekstrakcja litu utrzymywała się blisko 65 procent, a końcowy wodny strumień bogaty w lit zawierał 11–14 gramów litu na litr, podczas gdy stężenia niklu i kobaltu były poniżej wykrywalności, a manganu prawie nie było.

Co to oznacza dla czystszego recyklingu baterii

Dla osoby nietechnicznej kluczowy wniosek jest taki, że lit można wydobyć wcześnie z agresywnego, słonego ługu baterii za pomocą nadającego się do recyklingu ciekłego filtra i jedynie wody do końcowego kroku odzysku. To unika podgrzewania black mass do wysokich temperatur, zmniejsza zużycie dodatkowych kwasów i zasad oraz zapobiega wprowadzeniu dodatkowych zanieczyszczeń metalicznych. W zakładzie przemysłowym oczyszczony ług mógłby następnie zostać poddany istniejącym metodom odzysku niklu, kobaltu i manganu, zaś wodny strumień bogaty w lit mógłby być przekształcony w sole litu klasy bateriowej. Te kroki razem oferują bardziej wydajny i potencjalnie bardziej zrównoważony sposób zamknięcia obiegu litu w akumulatorach wtórnych.

Cytowanie: Saleem, U., Buvik, V., Bandyopadhyay, S. et al. Selective extraction of lithium from acidic chloride leachates of spent batteries. Sci Rep 16, 14984 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43332-y

Słowa kluczowe: recykling litu, ług z baterii, ekstrakcja rozpuszczalnikowa, black mass, hydrometalurgia