Связующее без фтора: как вода может упростить производство и переработку аккумуляторов

Связующее составляет небольшую долю массы литий-ионного аккумулятора, но от него зависят и прочность электродов, и сложность их переработки. Исследователи Калифорнийского университета в Сан-Диего предложили материал без фтора, который можно использовать в водной смеси при производстве, а затем удалять водой при переработке.

Работа опубликована 9 октября в журнале Nature Communications. В ней участвовали лаборатория Чжэн Чена, профессора химической и наноинженерии Инженерной школы имени Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего, и Джон Малдун из Североамериканского исследовательского института Toyota.

Почему связующее усложняет переработку

Связующее смешивают с порошками электродных материалов. Оно удерживает частицы вместе и закрепляет электродное покрытие на тонкой металлической фольге. Полученные электроды затем укладывают или сворачивают при сборке аккумулятора.

Фторсодержащие связующие обеспечивают прочное сцепление и помогают электродам сохранять стабильность при многократной зарядке и разрядке. Но та же устойчивость затрудняет извлечение материалов из отработанных аккумуляторов.

При производстве такие связующие растворяют в токсичном растворителе. После нанесения электродного покрытия растворитель испаряют в сушильных печах, а затем регенерируют и очищают для повторного использования. По словам первого автора исследования Цзяо Линя, научного сотрудника лаборатории Чена, эти этапы увеличивают затраты, энергопотребление и воздействие производства на окружающую среду.

При переработке стойкие остатки связующего приходится удалять с помощью высоких температур или агрессивных реагентов. При этом образуются опасные отходы и фторсодержащие побочные продукты, которые загрязняют извлеченные материалы и осложняют их повторное использование.

Два полимера и лимонная кислота

Команда Чена разработала связующее без фтора, для работы с которым вместо токсичного растворителя используется вода. Водорастворимые связующие существуют и сейчас, однако, по словам Чена, им не хватает прочности и долговечности для высокопроизводительных аккумуляторов.

Основой нового материала стали два недорогих, широко используемых полимера: полиакриловая кислота и карбоксиметилцеллюлоза. Первая помогает равномерно распределить смесь при изготовлении электродов и обеспечивает гибкость. Вторая отвечает за прочность и адгезию. Карбоксиметилцеллюлоза имеет растительное происхождение и применяется, в частности, в пищевой и бумажной промышленности.

Исследователи растворили полимеры в воде и добавили лимонную кислоту для их химического связывания. В результате сформировалась полимерная сеть с несколькими типами связей, которые усиливают друг друга. Такая структура обеспечивает сочетание прочности, гибкости, стабильности и адгезии.

Что показали испытания аккумуляторов

Аккумуляторы с новым связующим показали начальные характеристики, сопоставимые с обычными литий-ионными аккумуляторами. При этом после сотен и тысяч циклов зарядки и разрядки они дольше сохраняли емкость.

Материал оказался совместим с несколькими типами электродов: литий-железо-фосфатными (LFP) и никельсодержащими катодами, а также графитовыми и кремниевыми анодами.

Отделение электродного покрытия водой

Для удаления нового связующего исследователи разобрали аккумуляторы и замочили электроды в воде. Связующее растворилось, а электродные покрытия отделились от металлической фольги без остатков. На этом этапе не потребовались агрессивные реагенты или высокие температуры.

Извлеченные электродные материалы регенерировали методами прямой переработки и использовали для изготовления новых аккумуляторов. Их характеристики оказались сопоставимы с характеристиками аккумуляторов из материалов, извлеченных из батарей с обычным фторсодержащим связующим.

Следующий этап — масштабирование

Теперь исследователи работают над масштабированием производства и оптимизацией состава связующего для разных типов аккумуляторов. Команда планирует коммерциализировать разработку совместно с отраслевыми партнерами.

Фото: Дэвид Байо/Инженерная школа им. Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего