Cornell Üniversitesi’nden bilim insanları, lityum iyon bataryaları %100’e yakın kapasiteye yeniden ulaştırabilecek elektrokimyasal bir banyo geliştirdi. Pilleri parçalayıp geri dönüşüme sokan metotların aksine, yeni yöntemde lityum batarya elektrotları doğrudan dönüştürülüyor.
Yapısal olarak sağlam elektrotları parçalayıp başka elektrotların yapımında kullanılacak malzemeleri elde etmek yerine, araştırmacılar elektrokimyasal bir çözüm kullanarak mevcut elektrotları yeniliyorlar.
Araştırmacılar, bu yöntemin pillerin orijinal kapasitelerinin %95’ini geri kazandırdığını ve hatta geri dönüştürülmüş pillerin ömrünü uzattığını belirtiyorlar. Onlara göre bu yöntem, geri dönüşüm maliyetlerini %56 oranında azaltırken aynı zamanda daha çevre dostu da olabilir.
Lityum-iyon piller yaşlandıkça, elektrotların üzerinde katı elektrolit ara fazı (SEI) adı verilen bir tabaka giderek kalınlaşır. Aslında, pilin çalışması için ince bir SEI tabakası gereklidir. Ancak yüzlerce veya binlerce şarj döngüsü boyunca bu tabaka giderek kalınlaşır, bu da direnci artırır ve pil kapasitesini azaltır. Bu fenomen, pil aşınmasının en önemli nedenlerinden biridir ve elektrikli araç pillerinin ve sabit elektrik depolama sistemlerinin, yapılarının büyük bir kısmı hala sağlamken kullanımdan kaldırılmasına yol açar. Bu yapı, lityum, nikel, kobalt, manganez, bakır ve alüminyum gibi kritik mineraller içeren, artık kaplanmış elektrotları da barındırır.
Bu malzemeleri geri kazanmak için, kullanım ömrü dolmuş piller geri dönüşüme gönderilir. Geri dönüşüme şükürler olsun. Ne yazık ki, geleneksel pil geri dönüşüm süreçlerinin kendisi de çok da ideal olmaktan uzaktır. İlk olarak, piller incelenir ve tamamen boşaltılır. Ardından, piller çıplak hücreler halinde değil, komple pil paketleri olarak geldiği için, hücrelere kadar tüm destekleyici bileşenler ve sistemlerden dikkatlice ayrılırlar. Elektrotlar, elektrolit ve ayırıcıdan oluşan hücre daha sonra mekanik olarak parçalanır, ezilir veya toz haline getirilir.
Ortaya çıkan parçacıklar, çeşitli tekniklerle ayrıştırılarak plastik ve alüminyum, bakır, çelik gibi metal parçalar ayrılır; geriye “siyah kütle” olarak bilinen siyah, toz halindeki bir madde kalır. Bundan sonra, kritik minerallerin nihai olarak çıkarılması aşaması gelir; bu aşama genellikle pirometalurji ve hidrometalurji olmak üzere iki karmaşık, enerji yoğun işlemden birini içerir.
Aslında elektrotlara fiziksel olarak zarar veren başka pil sorunları da olsa da, normal çalışma koşullarında standart pil kapasitesinin azalmasının ve hizmetten çıkarılmasının birincil nedeni olarak kabul edilen SEI tabakasının kalınlaşması aslında elektrotlara zarar vermez, sadece üzerlerini kaplar. Bu nedenle, geleneksel geri dönüşüm süreçleri yapısal olarak sağlam elektrotları alır, bunları toz haline getirir ve malzemeleri çıkarmak için birkaç karmaşık geri kazanım aşamasından geçirir. En son bu malzemeler tekrardan elektrot yapmakta kullanılabilir.
Elbette, durum bundan daha incelikli, ancak yüzeysel olarak bakıldığında bu sürecin ironisi ortada. Energy and Environmental Science dergisinde ayrıntılı olarak anlatılan Cornell Üniversitesi’nin çözümü, işte bu sorunu ele almayı amaçlıyor.
Bu prosesese Doğrudan Elektrottan Elektrota Rejenerasyon (DEER) adı veriliyor. Bu süreçte, bilim insanları kullanılmış pili parçalamak yerine onu açarak elektrotları bozulmadan çıkarıyorlar. Elektrotlar daha sonra bir akım toplayıcıya bağlanarak 1,3-dimetil-2-imidazolidinon içeren bir banyoya yerleştirilir.
Çözelti, sorun yaratan kalın SEI tabakasını çözer ve yeni bir bataryaya yerleştirilmeye hazır, yenilenmiş elektrotlar bırakır. Süreç ayrıca, elektrotu stabilize etmeye ve fazlar arası büyümeyi bastırmaya yardımcı olan ince bir lityum florür tabakası bırakır. Bu kalıntı tabaka sayesinde, yenilenmiş bataryalar beklenenden daha iyi döngü kararlılığı sergiledi.
“Elektrotları parçalamadan veya toz haline getirmeden olduğu gibi onarıyoruz ve ardından yeni bir bataryaya geri yerleştiriyoruz, Çözünme, temelde bataryanın kapasitesini geri kazanmasına yardımcı oluyor ve %95 oranında geri kazanım sağlanıyor. Böylece döngüselliği büyük ölçüde kısaltıyoruz, ” diyor proje lideri ve Cornell Üniversitesi Kimya Mühendisliği’nde Prof. Vibha Kalra.
Araştırmacılar, Argonne Ulusal Laboratuvarı’nın ReCell Merkezi’ndeki araştırma ortakları tarafından geliştirilen açık kaynaklı yazılımı kullanarak, DEER’in potansiyelini değerlendirmek üzere tekno-ekonomik ve çevresel etki analizleri gerçekleştirdiler. Sonuçlar, bu sürecin geri dönüştürülmüş hücre üretiminin maliyetini %56 oranında düşüreceğini ve aynı zamanda geleneksel geri dönüşüm yöntemlerine kıyasla zararlı hava kirleticilerini ve su kullanımını azaltacağını ortaya koydu. Geleneksel geri dönüşümdeki ekstraksiyon süreçlerinin ortadan kaldırılmasıyla elde edilen maliyet, emek, zaman ve enerji tasarrufuna ek olarak, DEER ayrıca yeni elektrotların üretim maliyetlerini de düşürüyor.
Kullanılmış bir pili %95 kapasiteye geri getirmek yeterince etkileyici olsa da, görünüşe göre araştırmacılar için bu yeterli değil. Yenilenen pilin, uzun bir hizmet ömrünün ardından SEI birikimi nedeniyle tekrar kapasite kaybına uğradığında ne olacağını merak ediyorsanız: Araştırmacılar, DEER kullanarak pili yeniden rejenerasyon işlemine tabi tuttular ve üçüncü ömrünü yaşayan pil, ikinci rejenerasyon döngüsünden sonra bile orijinal kapasitesinin yaklaşık %90’ını korudu!
Mevcut teknoloji SEI hasarına odaklanırken, araştırmacılar bu yöntemin lityum kaybı gibi diğer pil bozulma türlerinde de yararlı olduğunu göstermeyi hedefliyor.
Kalra, “Şu anda işlediğimiz kullanılmış pillerin sağlık durumu %70-80 civarında; bu, elektrikli araç uygulamalarında genel bir durumdur. Dolayısıyla, bu diğer bozulma mekanizmalarından bazılarını ele alabilirsek, bu aralığı genişletebiliriz.”
Araştırmacılar, endüstriyel piller ve diğer büyük lityum-iyon pil sistemlerine de odaklanıyorlar.
Kaynak : Cornell Üniversitesi
