Селективное извлечение лития из кислых хлоридных выщелачиваний отработанных батарей

Почему старые батареи всё ещё важны

Литий-ионные батареи питают наши телефоны, ноутбуки и электромобили, но литий внутри них сложно восстановить, когда батареи достигают конца срока службы. Сегодня большая часть лития теряется или восстанавливается лишь после множества дорогостоящих этапов. В этом исследовании рассматривают более простой способ раннего извлечения лития из кислого раствора, образующегося при химическом растворении измельчённых батарей, с целью сэкономить энергию, химикаты и ценные металлы.

Преобразование измельчённых элементов в полезную жидкость

Современная переработка батарей часто начинается с «чёрной массы» — тёмного порошка, получаемого при дроблении отработанных элементов. Этот порошок богат литием, но также содержит никель, кобальт, марганец и другие металлы. Один из распространённых подходов — растворять чёрную массу в соляной кислоте, получая солёный раствор, в котором одновременно находятся почти все металлы. Проблема в том, что существующие методы извлечения обычно сначала сосредоточены на более дорогих металлах, оставляя литий на конец, когда он разбавлен, частично утекает и смешан с многочисленными примесями. Раннее извлечение лития из того же кислого раствора было бы эффективнее, но для этого нужен материал, который селективно захватит литий, не унося с собой другие металлы.

Специальная жидкость, которая предпочитает литий

Исследователи разработали особую органическую фазу, которая действует как фильтр на молекулярном уровне. Она объединяет три компонента: ионы железа, распространённый промышленный растворитель трибутилфосфат и кислую вспомогательную молекулу, известную как P507. Когда эта органическая фаза смешивается с кислым выщелачиванием батарей, ионы лития переходят в органическую жидкость значительно охотнее, чем никель, кобальт или марганец. Команда тщательно настроила соотношение между P507 и железом так, чтобы фаза могла как захватывать литий из выщелачивания, так и затем отдавать его в чистую воду, удерживая при этом железо в органической фазе для повторного использования.

Шаг за шагом: от смешанного супа к чистому литию

Были испытаны два немного разные варианта процесса. В первом органическая фаза загружалась литием прямо из выщелачивания батарей, а P507 добавляли после для стабилизации системы. Во втором сначала предварительно загружали железо в органическую фазу с помощью простого складского раствора, и лишь затем эта жидкость контактировала с реальным выщелачиванием. Оба маршрута сопровождались тремя ключевыми стадиями: промывкой для удаления следовых примесей, стриппингом для перехода лития из органической фазы в воду и регенерацией для подготовки органической фазы к следующему циклу. При подходящем соотношении смешения органической и водной фаз и соотношении P507 к железу около 1,5–1,7 процесс извлекал более 90 процентов лития за несколько контактных стадий при почти полном оставлении никеля и кобальта в исходном растворе.

Стабильность системы и возможность повторного использования

Команда использовала инфракрасную и УФ–видимую спектроскопию, чтобы подтвердить, как железо и органические молекулы взаимодействуют внутри жидкого фильтра. Эти тесты показали, что железо остаётся связанным в форме, которая удерживается в органической фазе даже при снижении уровня хлоридов во время стриппинга водой. В результате один и тот же растворитель может многократно использоваться без существенной потери железа или эффективности извлечения. За шесть повторных прогонов однофазовое извлечение лития оставалось около 65 процентов, а конечный литийсодержащий водный поток содержал 11–14 граммов лития на литр при том, что уровни никеля и кобальта были ниже предела обнаружения, а марганец практически отсутствовал.

Что это значит для более чистой переработки батарей

Для неспециалиста ключевой вывод в том, что литий можно извлечь на ранней стадии из агрессивного солёного выщелачивания батарей, используя перерабатываемый жидкий фильтр и только воду для финального шага восстановления. Это позволяет избежать нагрева чёрной массы до высоких температур, сократить добавление кислот и оснований и предотвратить внесение дополнительных примесных металлов. На промышленном заводе очищенное выщелачивание затем можно обработать существующими методами для восстановления никеля, кобальта и марганца, а литийсодержащий водный поток можно превратить в литиевые соли батарейного класса. В совокупности эти шаги предлагают более эффективный и потенциально более устойчивый способ замкнуть цикл лития в перезаряжаемых батареях.

Цитирование: 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

Ключевые слова: переработка лития, выщелачивание батарей, экстракция растворителем, чёрная масса, гидрометаллургия