Восстановление лития высокой чистоты из отработанных литий-ионных батарей с использованием коммерческих нанофильтрационных мембран: сравнительная оценка производительности

Почему старые батареи все еще важны

Миллионы литий-ионных батарей питают наши телефоны, ноутбуки и электромобили, и большинство из них в конечном счете оказывается на свалке. Однако внутри каждой «мертвой» батареи по-прежнему содержится ценный литий и другие металлы, которые можно восстановить и использовать повторно вместо добычи из недр. В этом исследовании рассматривается водный метод фильтрации, способный извлекать литий высокой чистоты из батарейных отходов, помогая превратить вчерашние устройства в материалы для чистой энергетики завтрашнего дня.

От отслуживших батарей к полезной жидкости

Когда литий-ионная батарея исчерпывает свой ресурс, она не идет сразу в фильтр. Сначала её металлосодержащие части обрабатывают кислотами в процессе, называемом выщелачиванием. В результате получается концентрированная жидкая смесь, содержащая литий вместе с несколькими более тяжелыми металлами, такими как никель, кобальт, марганец, алюминий и железо. На реальных перерабатывающих предприятиях эта жидкость бывает загрязнена и полна мелкодисперсных частиц, поэтому исследователи создали более чистый «синтетический выщелачивающий раствор» с тем же набором растворенных металлов. Это позволило им изучать, насколько эффективно разные фильтры разделяют литий в контролируемых, но реалистичных условиях.

Использование «умных» фильтров вместо агрессивных этапов

Команда испытала четыре готовые коммерческие нанофильтрационные мембраны. Это тонкие пластиковые пленки с множеством крошечных каналов для воды, которые действуют отчасти как сито, а отчасти как электрически заряженный барьер. Вода и мелкие однозарядные ионы, такие как ионы лития, проходят через них легче, тогда как более крупные или более заряженные ионы металлов в основном задерживаются. Исследователи тщательно измерили толщину, шероховатость и гидрофильность каждой мембраны, затем прогнали через них синтетическую батарейную жидкость в лабораторной установке, похожей на промышленную. Они также проверили, как мембраны меняются после использования, убеждаясь, что они не трескаются и не разрушаются.

Пропускать литий, удерживать тяжелые металлы

Все четыре мембраны в целом вели себя одинаково: литий, будучи малым и имея только один положительный заряд, слабо отторгался и в основном проходил через мембрану, в то время как более тяжелые металлы с двойным или тройным зарядом сильно блокировались. Две «более пористые» мембраны пропускали наибольшее количество лития, отторгая лишь около одной пятой его, при этом задерживая примерно 80–90% многовалентных металлов. «Более плотные» мембраны действовали в обратную сторону: они отторгали более 90% никеля, кобальта, марганца, алюминия и железа, но также задерживали большую часть лития. Когда все металлы присутствовали одновременно, блокирование тяжелых металлов усиливалось из-за электрического «скопления» у поверхности мембраны, тогда как литий по-прежнему в значительных количествах проходил через неё.

Проектирование оптимального набора фильтров

Сравнив четыре мембраны бок о бок, исследователи разработали простое руководство по выбору фильтров для перерабатывающего предприятия. Если главная цель — получить как можно больше лития в очищенной жидкости на другой стороне мембраны, лучше использовать более открытую мембрану, поскольку она даёт меньшее сопротивление для лития при одновременном улавливании большинства тяжелых металлов. Если процесс требует максимально тщательного удаления тяжелых металлов, предпочтительна более плотная мембрана, хоть это и снижает пропускную способность по лития. Исследование также показало, как такие характеристики, как шероховатость поверхности, угол смачивания (насколько легко вода растекается по поверхности) и химический состав, совместно определяют, какие ионы проходят, а какие остаются.

Что это значит для повседневной жизни

Для неспециалистов главный вывод таков: простые коммерчески доступные фильтры уже могут помочь превратить отработанные батареи в надёжный вторичный источник лития, снижая нагрузку на рудники и чувствительные солончаки. Правильно комбинируя мембраны, компании по переработке могут одновременно восстанавливать литий высокой чистоты для новых батарей и удерживать токсичные тяжелые металлы от попадания в окружающую среду. Иными словами, работа указывает на будущее, в котором батареи наших устройств станут частью замкнутого цикла — возрождаясь как новые батареи, а не превращаясь в опасные отходы.

Цитирование: Alam, M., Bruggen, B.V.d., Ahsan Khan, M. et al. High purity lithium recovery from spent lithium-ion batteries using commercial nanofiltration membranes: a comparative performance assessment. Sci Rep 16, 6129 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36924-1

Ключевые слова: переработка лития, отработанные батареи, нанофильтрация, мембранная сепарация, циркулярная экономика