В мире, который постепенно отказывается от углеродных источников энергии, наблюдается стремительный рост использования литий-ионных батарей в качестве накопителей энергии нового поколения. Однако это привело к другой проблеме — увеличению количества отходов литиевых батарей.
Литий-ионные батареи медленно деградируют в течение срока службы, теряя от 12% до 24% общей емкости за 500 циклов зарядки и разрядки. Электролит и другие материалы внутри батареи также могут разрушаться, что приводит к снижению емкости со временем. Утилизация литиевых батарей на свалках или при сжигании может представлять опасность для окружающей среды и безопасности из-за возможности попадания токсичных элементов в почву и воду.
Переработка литиевых батарей требует широкого использования гидрометаллургии — отрасли металлургии, связанной с водными растворами. Вкратце, использованная батарея разбирается, ценные металлы извлекаются с помощью растворителя, после чего проводится очистка, где извлеченный металл извлекается, а растворитель перерабатывается. В настоящее время переработка литиевых батарей требует нескольких этапов процессов извлечения и очистки, каждый из которых требует отдельных реакторов и различных параметров. Это значительно повышает сложность и стоимость переработки, поэтому коэффициент переработки литиевых батарей очень низок.
Предпринимались многочисленные попытки разработать одностадийное, однокомпонентное решение путем разделения реактора с помощью мембран. Однако эти идеи потерпели неудачу в больших реакторах, в основном из-за разрушения мембран, особенно при сильном перемешивании.
Для решения этой проблемы междисциплинарная исследовательская группа под руководством профессора Бартоша А. Гжибовского в Центре мягкой и живой материи Института фундаментальной науки (IBS), Южная Корея, представила новый метод переработки ценных металлов, таких как литий, никель и кобальт, из отработанных литий-ионных батарей.
Группа Грызбовски известна в этой области благодаря своим вращающимся концентрическим жидкостным реакторам, которые доказали свою эффективность при проведении многоступенчатых реакций в одной камере. На этот раз группа успешно применила эту концепцию для упрощения процесса экстракции-стриппинга при переработке литиевых батарей. Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.
Горизонтально вращающийся реактор, разработанный соавтором д-ром Ольгердом Цибульски, может обрабатывать сложные металлические смеси, в которых водная фаза сырья, органический экстрагент и водная фаза акцептора находятся в одном и том же вращающемся сосуде. В отличие от установок типа «one-pot», в которых используются мембраны, этот реактор можно энергично перемешивать и эмульгировать без коалесценции водных слоев. Расположение фаз сырья с более высоким pH, органического экстрагента (челнока) и акцептора с более низким pH надежно поддерживается путем размещения всех этих жидкостей во вращающемся сосуде таким образом, что они образуют концентрические слои, достаточно стабильные для эффективного межфазного перемешивания, но без коалесценции водных слоев.
Впечатляет то, что этот процесс «может осуществлять разделение металлов за считанные минуты, используя низкую концентрацию экстрагентов и с высокой селективностью», по словам соавтора д-ра Кристобаля Кинтаны.