Прямое переработанное катодных активных материалов отработанных литий-ионных батарей гидротермальным методом

Почему старые автомобильные батареи всё ещё важны

Электромобили используют литий-ионные батареи, содержащие ценные металлы — никель, марганец, кобальт и литий. По мере того как миллионы таких батарей достигают конца срока службы, мир сталкивается с двойной задачей: как избежать гор токсичных отходов и одновременно сократить зависимость от новой добычи. В этом исследовании рассматривается способ «восстановить» одну из ключевых частей батареи — катодный материал — чтобы его можно было снова использовать в новых батареях с гораздо меньшими затратами энергии, загрязнения и расходов по сравнению с современными методами переработки.

От проблемы отходов к циклическому использованию ресурсов

Авторы рассматривают отработанные блоки батарей не как мусор, а как стратегический ресурс. Текущая переработка в Европе далеко не соответствует потребностям, которые возникнут с ростом числа электромобилей, а традиционные методы опираются на высокотемпературное плавление или сильные кислоты. Эти процессы возвращают лишь часть металлов, часто теряют литий, потребляют много энергии и создают дополнительные потоки отходов. В противоположность этому подход, изучаемый здесь — прямое восстановление — направлен на сохранение структуры катода в основном в целости и простое восстановление того, что было утрачено в ходе эксплуатации. Это особенно важно для широко используемого катода, известного как NMC622, который встречается в коммерческих электромобилях, например Hyundai KONA.

Мягкий ремонт истощённого катодного материала

Вместо того чтобы измельчать всё до базовых элементов, команда начинает с реальных, деградировавших автомобильных ячеек и аккуратно отделяет чистый порошок, содержащий только катодный материал. Затем используют водоосновный процесс, называемый гидротермальным релитиа́нированием: порошок смешивают с раствором, богатым литием, запечатывают в сосуде под давлением при умеренной температуре и затем подвергают краткой высокотемпературной обработке. В ходе этой последовательности ионы лития возвращаются в обеднённые частицы, а кристаллическая структура упорядочивается, восстанавливая способность материала накапливать и отдавать энергию. Проведя систематический набор экспериментов, исследователи варьируют концентрацию лития, температуру и время реакции, чтобы выяснить, какая комбинация лучше всего восстанавливает материал.

Поиск оптимального рецепта восстановления

Тщательные измерения показывают, что исходный катодный порошок испытывает дефицит лития, имеет повреждённую поверхность и содержит нежелательные вторичные фазы, которые уже плохо работают в батарее. После обработки лучшие образцы восстанавливают чистую, слоистую кристаллическую структуру, очень близкую к структуре свежего коммерческого NMC622. Статистический анализ показывает, что концентрация лития и температура играют основную роль в успешном восстановлении, тогда как влияние времени зависит от того, сколько лития присутствует. Ключевой вывод: более мягкие условия — 160 °C, относительно концентрированный литиевый раствор и короткая часовая обработка — дают хорошо упорядоченный материал с меньшим количеством дефектов, лучшей подвижностью лития и меньшим электрическим сопротивлением по сравнению с образцами, обработанными дольше.

Проверка восстановленных катодов в деле

Чтобы проверить, действительно ли восстановленные порошки ведут себя как новые, авторы собрали тестовые элементы размером с монету и напрямую сравнили их с коммерческим катодом NMC622. Лучший регенерированный образец обеспечивает емкость разряда близкую к свежему материалу, сохраняет около 80% ёмкости после 50 циклов заряд–разряд и удивительно хорошо переносит более высокие скорости заряда — при самой быстрой испытанной скорости он даже превосходит коммерческий эталон. Другие восстановленные образцы, подвергшиеся более жёсткой обработке, демонстрируют большее перемешивание атомов внутри кристалла и более медленную подвижность лития, что приводит к большему внутреннему сопротивлению и более быстрой потере характеристик. Такое парное сравнение связывает условия обработки с микроскопической структурой и, в свою очередь, с поведением батарей в реальных условиях.

Более чистые батареи для циклического будущего

Помимо восстановления рабочих характеристик, гидротермальный метод ремонта даёт значительные экологические и экономические преимущества. Поскольку он работает при более низких температурах и избегает агрессивных кислот, он использует лишь долю энергии по сравнению с основными методами переработки и производит гораздо меньше парниковых выбросов и опасных отходов. Почти весь катод повторно используется напрямую, вместо того чтобы быть разрушенным и восстановленным с нуля. В исследовании делается вывод, что оптимизированное прямое восстановление никелевых катодов, таких как NMC622, может бесшовно интегрироваться в будущие фабрики по производству батарей, снижая потребность в новой добыче и помогая сделать электромобили действительно частью циркулярной, с низким воздействием на окружающую среду, энергетической системы.

Цитирование: Castro, J., Gómez, M., Acebes, P.J. et al. Direct recycling of end-of-life lithium-ion batteries cathode active materials by hydrothermal route. Sci Rep 16, 11594 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41973-7

Ключевые слова: переработка литий-ионных батарей, регенерация катода, гидротермальное релитиа́нирование, батареи электромобилей, циркулярная экономика