Максимизация использования энергии и эффективности выщелачивания лития посредством последовательного электрохимического двойного окисления и выдержки‑релаксации

Почему старые автомобильные батареи всё ещё важны

Литий‑ионные аккумуляторы питают наши телефоны, ноутбуки и всё чаще — автомобили. Но по мере того как миллионы блоков электромобилей достигают конца срока службы, они создают новый вид отходов — и новую возможность. Литий и другие металлы, заключённые в отработанных батареях, ценны, но их извлечение требует много энергии. В этом исследовании рассматривается более рациональный способ возвращать литий с помощью электричества — эффективнее по расходу энергии, дешевле и с меньшим воздействием на окружающую среду, что важно в условиях растущего мирового спроса на батарейные материалы.

Превращение отработанных батарей в ресурс

Сегодня в промышленной переработке литий‑ионных батарей чаще всего используют агрессивные химикаты или печи при высоких температурах. Эти методы позволяют вернуть металлы, но часто расходуют много энергии и затрудняют чистое разделение лития от никеля, кобальта и марганца в так называемых NCM‑батереях. Исследователи сосредоточились на новом, более чистом пути: применении электрического тока в солевом растворе для выведения лития из использованного катодного материала. Они задали простой, но ключевой вопрос: можем ли мы пересмотреть, когда и как использовать электроэнергию, чтобы почти каждый ватт способствовал извлечению лития, а не тратился на побочные реакции?

Двухэтапный танец: мощность, затем пауза

Команда разработала двухступенчатый процесс, сочетающий активное «давление» и спокойную «выдержку». На первом этапе, который назвали электрохимическим двойным окислением, к ячейке с отработанным NCM‑катодом и раствором хлорида натрия прикладывают постоянное напряжение. Ток вытягивает ионы лития из твердой фазы в раствор, одновременно создавая в среде сильные окислительные виды. Учёные установили, что большая часть полезной работы происходит в первый час: литий покидает кристаллическую структуру быстро в начале, а позже значительная часть подводимой энергии тратится на побочные процессы, например на выделение кислорода в виде пузырьков.

Даем химии закончить работу

Вместо того чтобы держать питание дольше и дольше, исследователи просто выключали ток и оставляли электрод в теперь уже окисляющем солевом растворе. Удивительно, но литий продолжал выщелачиваться до почти полного удаления — примерно 99% для свежего NCM‑материала и около 98% для реальных отработанных катодов. Детальные измерения показали, что атомы кислорода внутри кристалла, временно переведённые в более реакционноспособное состояние в ходе подачы мощности, становятся скрытым двигателем второго, спокойного этапа. Эти «активированные» кислородные виды способствовали медленному обмену: ионы лития диффундировали в раствор, в то время как ионы натрия (или калия) из раствора заполняли освобождающиеся вакансии — и всё это без дальнейшего электропитания.

Как перестраивается кристаллическая структура

С помощью электронных микроскопов, рентгеновской дифракции и спектроскопии команда наблюдала, как частицы катода трескаются, истончаются и меняют внутреннюю укладку по мере ухода лития. Материал переходил через несколько известных слоистых порядков, переходя от литий‑богатой к литий‑бедной стадии и в итоге приходя к натрий‑богатой форме, которая сохраняла структуру, но уже почти не содержала лития. На протяжении этого процесса атомы никеля и кобальта меняли свои степени окисления, чтобы поддерживать электрический баланс материала, тогда как марганец оставался в основном неизменным, помогая стабилизировать каркас. Исследователи также показали, что ионы калия, теряющие свои молекулы воды легче, чем натрий, могут ещё больше ускорять шаг ионного обмена.

От лабораторного стола до производственного цеха

Чтобы проверить, работает ли идея вне лаборатории, команда построила пилотную систему, способную обрабатывать по полкилограмма реальных батарейных отходов за партию. Используя их двухэтапный метод, они восстановили более 98% лития в виде высокочистого карбоната лития, пригодного для изготовления новых батарей. Ключевой момент: поскольку питание выключается, как только «умная химия» запущена, процесс потреблял примерно вдвое меньше электроэнергии по сравнению со стандартным одноэтапным электрохимическим методом, что позволяло сэкономить более пятой части операционной прибыли на тонну перерабатываемого катодного материала.

Что это означает для будущих батарей

Проще говоря, исследование показывает, что нам не всегда нужно постоянно подавать электричество, чтобы вернуть ценные материалы из старых батарей. Хорошо спланированный импульс мощности может подготовить материал и раствор так, что остальная работа пойдёт сама по себе, ведомая внутренними химическими силами. При масштабном внедрении этот двухэтапный подход может сделать переработку лития из отработанных NCM‑катодов дешевле, чище и более привлекательной для промышленности, помогая замкнуть цикл жизни батарей и снизить давление на добычу нового лития.

Цитирование: Zhong, W., Gu, X., Feng, X. et al. Maximizing energy utilization and lithium leaching efficiency via sequential electrochemical dual-oxidation and soaking-relaxation. Nat Commun 17, 2050 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69834-x

Ключевые слова: переработка лития, отходы батарей, энергоэффективное выщелачивание, катоды NCM, электрохимическое восстановление