Вероятно, их больше, чем несколько, и они отлично подходят для питания всех вещей, важных для современной жизни: мобильных телефонов, часов, компьютеров, автомобилей и многого другого.

Но куда они деваются, когда терпят неудачу, - это растущая проблема. Ученые Университета Райса полагают, что у них есть частичное решение, основанное на уникальном процессе "флэш" джоулевого нагрева, который они разработали для получения графена из отходов.

Лаборатория Райса химика Джеймса Тура перенастроила процесс для быстрой регенерации графитовых анодных материалов, используемых в литий-ионных батареях, удаляя примеси, чтобы их можно было использовать снова и снова.

Работа лаборатории появляется в Передовые материалы.

Вспыхивание порошковых анодов из коммерческих батарей перерабатывает часть того, что исследователи назвали "ошеломляющим" накоплением отходов, которые они в настоящее время оставляют после себя. Всего за несколько секунд разряд высокой энергии разлагает неорганические соли, включая литий, кобальт, никель и марганец с анода. Их можно извлечь, обработав разбавленной соляной кислотой.

"Ожидается, что производство литий-ионных аккумуляторов в 2026 году будет в пять раз больше, чем в 2017 году, и прямо сейчас менее 5% из них перерабатывается", - сказал Тур, который представил процесс флэш-памяти для графена в 2020 году. "Это создает большую нагрузку на окружающую среду, поскольку эти отработанные батареи перерабатываются, а аноды сжигаются для получения энергии или отправляются на свалки.

"Мы утверждаем, что наш процесс может извлекать критически важные металлы и восстанавливать аноды гораздо более экологичным и экономичным способом", - продолжил он.

Лаборатория сообщила, что вспыхивающие аноды разрушают межфазную среду твердого электролита (SEI), которая проводит ионы лития, но также изолирует анод от вредных реакций.

Затем выплавка покрывает оставшиеся частицы графита ионопроницаемой углеродной оболочкой, что способствует повышению их будущей емкости, скоростных характеристик и циклической стабильности по сравнению с материалами, которые обычно перерабатываются в трудоемком и энергоемком процессе, известном как высокотемпературный обжиг.

По оценкам лаборатории, переработка одной тонны необработанных анодных отходов обойдется примерно в 118 долларов. Они продемонстрировали, что аноды, переработанные флэш-накопителем, имеют восстановленную удельную мощность 351 миллиампер-час на грамм при температуре 32 градуса по Фаренгейту, что превосходит показатели скорости и электрохимической стабильности необработанных или прокаленных анодов, переработанных повторно.

Протестированные исследователями переработанные аноды с оплавлением сохранили более 77% своей емкости после 400 циклов перезарядки.

"Помимо отработанных графитовых анодов, мы уверены, что катоды, электролиты и их смеси могут быть эффективно переработаны или восстановлены с помощью нашего метода", - сказал аспирант Райс Вэйин Чен, ведущий автор исследования.

Соавторами являются академический гость Райса Родриго Сальватьерра; выпускник Джон Тианси Ли; научный сотрудник Картер Киттрелл; аспиранты Джейкоб Бекхэм, Кевин Висс, Нгхи Ла, Пол Савас, Чанг Ге, Пол Адвинкула, Фелиция Скотланд и Лукас Эдди; и постдокторанты Бинг Дэн и Чжэ Юань.

Тур является заведующим кафедрой химии имени Т.Т. и В.Ф. Чао и профессором материаловедения и наноинженерии.

Управление научных исследований ВВС (FA9550-19-1-0296 ), Национальная лаборатория энергетических технологий Министерства энергетики (DE-FE0031794) финансировала исследование.