Новый материал может стать ключом к созданию перерабатываемых аккумуляторов для электромобилей

Сегодняшний бум электромобилей завтра превратится в гору электронных отходов. И хотя предпринимаются многочисленные усилия по улучшению переработки батарей, многие батареи электромобилей по-прежнему оказываются на свалках.

Исследовательская группа из Массачусетского технологического института хочет помочь изменить эту ситуацию с помощью нового типа самособирающегося материала для батарей, который быстро распадается при погружении в простую органическую жидкость. В новой статье , опубликованной в журнале Nature Chemistry , исследователи показали, что этот материал может работать в качестве электролита в функционирующей твердотельной батарее, а затем за считанные минуты возвращаться к своим исходным молекулярным компонентам.

Этот подход предлагает альтернативу измельчению батареи в трудноперерабатываемую массу. Вместо этого, поскольку электролит служит соединительным слоем батареи, когда новый материал возвращается к своей первоначальной молекулярной форме, вся батарея разбирается, что ускоряет процесс переработки.

«До сих пор в аккумуляторной промышленности мы сосредотачивались на высокоэффективных материалах и конструкциях, и лишь позже пытались понять, как перерабатывать батареи, изготовленные со сложной структурой и из трудноперерабатываемых материалов», — говорит первый автор статьи Юкио Чо, доктор философии, выпускник 2023 года. «Наш подход заключается в том, чтобы начать с легко перерабатываемых материалов и выяснить, как сделать их совместимыми с батареями. Разработка батарей с учетом возможности вторичной переработки с самого начала — это новый подход».

Вместе с Чо в работе над статьей приняли участие аспирант Коул Финчер, доктор философии Тай Кристофф-Темпеста (выпуск 2022 года), профессор керамики имени Киосеры Йет-Мин Чанг, приглашенный доцент Джулия Ортони, Сяобин Цзуо и Гийом Ламур.

Более качественные батареи

В одном из фильмов о Гарри Поттере есть сцена, где профессор Дамблдор одним движением руки и с помощью заклинания наводит порядок в обветшалом доме. Чо говорит, что этот образ запомнился ему с детства. (Что может быть лучше для уборки комнаты?) Когда он увидел лекцию Ортони о разработке молекул, способных объединяться в сложные структуры, а затем возвращаться в исходную форму, он задумался, можно ли использовать это для того, чтобы переработка батарей работала как по волшебству.

Это стало бы кардинальным изменением для аккумуляторной промышленности. Сегодня для переработки батарей требуются агрессивные химические вещества, высокие температуры и сложные технологические процессы. Батарея состоит из трех основных частей: положительно заряженного катода, отрицательно заряженного электрода и электролита, который переносит ионы лития между ними. Электролиты в большинстве литий-ионных батарей легко воспламеняются и со временем разлагаются, образуя токсичные побочные продукты, требующие специальной обработки.

Чтобы упростить процесс переработки, исследователи решили создать более экологичный электролит. Для этого они обратились к классу молекул, самоорганизующихся в воде, названных арамидными амфифилами (АА), чья химическая структура и стабильность имитируют кевлар. Исследователи также разработали АА таким образом, чтобы на одном конце каждой молекулы содержался полиэтиленгликоль (ПЭГ), способный проводить ионы лития. При контакте с водой молекулы спонтанно образуют наноленты с ионопроводящими поверхностями из ПЭГ и основаниями, имитирующими прочность кевлара за счет прочных водородных связей. В результате получается механически стабильная наноленточная структура, проводящая ионы по своей поверхности.

«Материал состоит из двух частей, — объясняет Чо. — Первая часть — это гибкая цепочка, которая служит своего рода "гнездом" или "основой", в которой могут перемещаться ионы лития. Вторая часть — это прочный органический компонент, используемый в кевларе, пуленепробиваемом материале. Все это обеспечивает стабильность всей структуры».

При добавлении в воду наноленты самоорганизуются, образуя миллионы нанолент, которые можно прессовать в твердотельный материал методом горячего прессования.

«В течение пяти минут после добавления в воду раствор становится гелеобразным, что указывает на образование такого количества нановолокон в жидкости, что они начинают переплетаться друг с другом», — говорит Чо. «Что особенно интересно, так это возможность производства этого материала в больших масштабах благодаря его способности к самосборке».

Команда проверила прочность и износостойкость материала, обнаружив, что он может выдерживать нагрузки, связанные с изготовлением и работой батареи. Они также создали твердотельный аккумуляторный элемент, в котором в качестве катода использовался фосфат лития-железа, а в качестве анода — оксид лития-титана, оба материала широко используются в современных батареях. Наноленты успешно перемещали ионы лития между электродами, но побочный эффект, известный как поляризация, ограничивал движение ионов лития в электроды батареи во время быстрых циклов зарядки и разрядки, что снижало ее производительность по сравнению с современными коммерческими батареями, соответствующими золотому стандарту.

«Ионы лития перемещались вдоль нановолокон, но, похоже, наиболее медленным этапом процесса является перенос ионов лития из нановолокон в оксид металла», — говорит Чо.

Когда они погрузили батарейный элемент в органические растворители, материал немедленно растворился, и каждая часть батареи отделилась, что облегчило ее переработку. Чо сравнил реакцию материалов с сахарной ватой, погруженной в воду.

«Электролит скрепляет два электрода батареи и обеспечивает пути для ионов лития», — говорит Чо. «Поэтому, когда вы хотите переработать батарею, весь слой электролита может отслоиться естественным образом, и вы можете перерабатывать электроды по отдельности».

Проверка нового подхода

Чо говорит, что этот материал является экспериментальным образцом, демонстрирующим подход, в первую очередь ориентированный на переработку.

«Мы не хотим сказать, что решили все проблемы с этим материалом», — говорит Чо. «Характеристики наших батарей были не самыми лучшими, потому что мы использовали этот материал только в качестве всего электролита для бумаги, но мы планируем использовать этот материал в качестве одного из слоев в электролите батареи. Для запуска процесса переработки не обязательно использовать его в качестве всего электролита».

Чо также видит большие возможности для оптимизации характеристик материала посредством дальнейших экспериментов.

В настоящее время исследователи изучают способы интеграции подобных материалов в существующие конструкции батарей, а также внедрения этих идей в новые химические составы батарей.

«Убедить существующих поставщиков сделать что-то кардинально другое — очень сложная задача, — говорит Чо. — Но с появлением новых материалов для батарей через пять или десять лет интегрировать это в новые конструкции на начальном этапе может быть проще».

Чо также считает, что такой подход может помочь вернуть поставки лития на родину за счет повторного использования материалов из батарей, которые уже находятся в США.

«Люди начинают понимать, насколько это важно», — говорит Чо. «Если мы сможем начать перерабатывать литий-ионные батареи из отходов батарей в больших масштабах, это будет иметь тот же эффект, что и открытие литиевых рудников в США. Кроме того, каждая батарея требует определенного количества лития, поэтому, если экстраполировать рост числа электромобилей, нам необходимо повторно использовать этот материал, чтобы избежать резкого скачка цен на литий».

Данная работа частично финансировалась Национальным научным фондом и Министерством энергетики США. Часть работы была выполнена с использованием оборудования для нанохарактеризации MIT.nano.

Источник: https://news.mit.edu/2025/new-self-assembling-material-could-be-key-recyclable-ev-batteries-0828