Drugie życie baterii litowo-jonowych. Doniesienia badaczy Politechniki Bydgoskiej

Światowe zużycie baterii litowo-jonowych tylko w ostatnich czterech latach wzrosło aż dwukrotnie, generując zatrważające ilości odpadów bateryjnych zawierających wiele szkodliwych substancji. Coraz pilniejsza staje się zatem konieczność opracowania metod efektywnej recyrkulacji zużytych baterii litowo-jonowych. Na łamach czasopisma „ChemElectroChem” ciekawą propozycję w tym zakresie przedstawili naukowcy z kilku polskich instytucji naukowych, z wiodącym udziałem Politechniki Bydgoskiej im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich (PBŚ), Instytutu Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauki, Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie oraz Politechniki Wrocławskiej.

Podstawą do prezentowanych badań był materiał węglowy otrzymany z elektrod wyjętych ze zużytych baterii litowo-jonowych (lithium-ion batteries, LIB). Elektrody te poddano procesowi kwaśnego ługowania w celu odzyskania wartościowych metali. W zależności od warunków eksperymentalnych, tak otrzymany materiał węglowy był mniej lub bardziej wytrawiony i po sproszkowaniu nadal zawierał niewielkie domieszki metali, w tym kobaltu – pierwiastka, którego związki są często stosowane w katalizie. Celem badań było więc zastosowanie materiałów ze zużytych baterii w procesach katalitycznych, zwłaszcza umożliwiających produkcję nadtlenku wodoru.

„Nadtlenek wodoru to jedna z podstawowych cząsteczek chemicznych, istotna w wielu gałęziach przemysłu. W procesie wytwarzania tej substancji na dużą skalę niezbędne są wysokie ciśnienia i temperatury, drogie katalizatory i szereg toksycznych elektrolitów. My zainteresowaliśmy się znacznie bardziej przyjazną dla środowiska metodą produkcji nadtlenku wodoru: elektrochemiczną z katalizatorami pochodzącymi właśnie ze zużytych baterii litowo-jonowych”, mówi kierownik projektu dr inż. Magdalena Warczak (PBŚ), pierwsza autorka artykułu opisującego osiągnięcie. 

Badania elektrochemiczne wykazały, że materiały odzyskane ze zużytych baterii LIB dzięki zawartości nanostruktur węglowych oraz kobaltu wykazują właściwości katalityczne względem reakcji redukcji tlenu. Okazało się jednocześnie, że właściwości te w istotnym stopniu zależą od rodzaju próbki (jej składu i struktury), a zatem głównie od składu kąpieli trawiących stosowanych przy oczyszczaniu elektrod wyjętych z baterii litowo-jonowych.

„Dla potencjalnych przyszłych zastosowań kluczowy jest jednak fakt, że na podstawie danych zebranych w doświadczeniach z tak zwaną elektrodą wirującą udało się nam wyliczyć, ile elektronów bierze udział w reakcji redukcji jednej cząsteczki tlenu. Elektrochemiczna redukcja tlenu może bowiem przebiegać z udziałem czterech lub dwóch elektronów. W pierwszym przypadku produktem jest woda, za to w tym drugim będzie to pożądany przez nas nadtlenek wodoru. My redukcję dwuelektronową zaobserwowaliśmy na wszystkich badanych próbkach”, wyjaśnia dr inż. Warczak.

Aby wyeliminować potencjalny wpływ na wyniki elektrody z węgla szklistego, używanej jako podłoże, pomiary powtórzono w układach, gdzie próbki poszczególnych proszków bateryjnych zawieszono między dwiema niemieszającymi się cieczami (przy czym ciecz organiczna zawierała dekametyloferrocen, związek będący donorem elektronów w badanej reakcji redukcji tlenu). Redukcja tlenu zachodziła tu samoczynnie na granicy między cieczami. Badania potwierdziły, że – podobnie jak w doświadczeniach z elektrodą węglową – wszystkie próbki katalizowały reakcję redukcji tlenu do nadtlenku wodoru, przy czym jego stężenia przy granicy faz, zmierzone za pomocą skaningowego mikroskopu elektrochemicznego, okazały się jeden do dwóch rzędów większe niż w układach niezawierających odpadów bateryjnych.

„Baterie litowo-jonowe traktowano dotychczas po prostu jako wtórne źródło materiałów węglowych – głównie grafitu – oraz metali takich jak lit, kobalt czy nikiel. Tymczasem wyniki naszej grupy jednoznacznie dowodzą, że odpady bateryjne katalizują redukcję tlenu do nadtlenku wodoru i w przyszłości mogą znaleźć zastosowanie przy produkcji tego ważnego związku chemicznego”, podsumowuje dr inż. Warczak.

Nadtlenek wodoru w stężeniu 3% jest dystrybuowany w aptekach jako woda utleniona i stosowany w stanach zapalnych oraz do dezynfekcji ran, choć w tym ostatnim przypadku jego działanie jest kwestionowane. Roztwory o stężeniach do 15% to wybielacze używane w chemii gospodarczej oraz kosmetyce, w tym do rozjaśniania włosów. Z kolei roztwór o stężeniu ok. 30%, czyli perhydrol, odgrywa istotną rolę w przemysłach chemicznym (przy syntezie nadtlenków oraz jako utleniacz), celulozowo-papierniczym i tekstylnym (jako wybielacz), gumowym (jako surowiec), elektronicznym i metalowym (jako substancja trawiąca), a także spożywczym (jako preparat biobójczy).

Co ciekawe, nadtlenek wodoru może być utleniaczem paliw, w tym rakietowych. W tej ostatniej roli wystąpił już na początku lat 40. ubiegłego wieku, gdy użyto go w pierwszych rakietach zdolnych przekraczać umowną granicę kosmosu. Wtedy jego stężenia nie przekraczały jednak 80%, a ograniczenia technologiczne uniemożliwiały realizację długotrwałych misji. Tymczasem w wysokich stężeniach (98% i więcej) nadtlenek wodoru jest jednym z najbardziej ekologicznych materiałów pędnych. Po raz pierwszy do lotu w kosmos został użyty w takiej postaci kilka tygodni temu, w rakiecie suborbitalnej zbudowanej w Łukasiewicz – Instytucie Lotnictwa w Warszawie.

Badania nad wytwarzaniem nadtlenku wodoru za pomocą materiałów węglowych otrzymanych ze zużytych baterii litowo-jonowych, dotychczas finansowane z grantu SONATA Narodowego Centrum Nauki, będą kontynuowane, głównie z myślą o zwiększeniu wydajności reakcji elektrochemicznych do poziomu pozwalającego na wdrożenia przemysłowe w przyszłości. W dalszych planach znajdują się prace nad redukcją czteroelektronową pod kątem zastosowań w ogniwach paliwowych.