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A battery that has reached the end of its life is, for the most part, a problem to be shipped away. Researchers at Worcester Polytechnic Institute want it to become a source of parts for a new battery. In a study published in Advanced Energy Materials, a team led by professor Yan Wang converted mixed battery waste into upcycled materials for both the cathode and the anode, and built pouch cells (flat, sealed batteries) from them that outlasted cells made with commercial materials.
Una batteria giunta alla fine della sua vita è, nella maggior parte dei casi, un problema da spedire altrove. I ricercatori del Worcester Polytechnic Institute vogliono che diventi una fonte di componenti per una nuova batteria. In uno studio pubblicato su Advanced Energy Materials, un team guidato dalla professoressa Yan Wang ha trasformato i rifiuti di batterie miste in materiali riciclati di alta qualità per catodo e anodo, e con essi ha realizzato celle pouch (batterie piatte e sigillate) che hanno superato in durata le celle costruite con materiali commerciali.
The pressure behind the work is easy to state. As lithium-ion battery use grows, so does the demand for critical materials and the volume of discarded batteries. Many current recycling methods focus on recovering the cathode, and mixed battery waste is difficult to process into products of high value. The team therefore set out to upgrade both the cathode and the graphite recovered from that waste, rather than stopping at raw materials.
La spinta alla base del lavoro è facile da descrivere. Con la crescita dell'uso delle batterie agli ioni di litio, aumentano la domanda di materiali critici e il volume di batterie esauste. Molti metodi di riciclo attuali si concentrano sul recupero del catodo, e i rifiuti di batterie miste sono difficili da trasformare in prodotti di alto valore. Il team si è quindi proposto di migliorare sia il catodo sia la grafite recuperati da quei rifiuti, senza fermarsi alle materie prime.
The process works in two steps. Mixed, low-nickel cathode material is converted into a high-performance cathode called NMC622, and recovered graphite is purified and modified to become battery-grade anode material. Tests found improved lithium-ion transport and cycling stability in the cathode, and better interfacial kinetics and durability in the graphite anode. When the team assembled full pouch cells using only these upcycled parts, the cells showed fewer side reactions and approximately twice the cycle life of cells built with commercial materials, retaining 70% of their capacity after 2,590 cycles.
Il processo si articola in due fasi. Il materiale catodico misto, a basso contenuto di nichel, viene convertito in un catodo ad alte prestazioni chiamato NMC622, mentre la grafite recuperata viene purificata e modificata fino a diventare un materiale anodico di qualità adatta alle batterie. I test hanno rilevato un miglior trasporto degli ioni di litio e una maggiore stabilità ciclica nel catodo, oltre a una cinetica interfacciale e una durabilità migliori nell'anodo di grafite. Quando il team ha assemblato celle pouch complete usando solo queste parti riciclate, le celle hanno mostrato meno reazioni collaterali e una durata di ciclo circa doppia rispetto alle celle costruite con materiali commerciali, conservando il 70% della capacità dopo 2.590 cicli.
The team also estimated what the route could mean outside the laboratory. According to their analyses, it could use more than 95% of waste materials, increase profitability by 22.9%, and reduce greenhouse gas emissions by 27% and energy consumption by 29.4% compared with the reference recycling route. These are estimates from the researchers' own analyses, not measurements from an operating plant, and the study does not give costs or a timetable for industrial use.
Il team ha inoltre stimato che cosa potrebbe significare questo percorso al di fuori del laboratorio. Secondo le loro analisi, potrebbe utilizzare più del 95% dei materiali di scarto, aumentare la redditività del 22,9% e ridurre le emissioni di gas serra del 27% e il consumo energetico del 29,4% rispetto al percorso di riciclo di riferimento. Si tratta di stime derivate dalle analisi degli stessi ricercatori, non di misure effettuate in un impianto in funzione, e lo studio non fornisce né costi né una tabella di marcia per l'uso industriale.
For recyclers, the gain would be turning waste that is hard to sell into components that battery makers can use directly. For battery manufacturers, it points to a more circular supply, with fewer resources and less energy needed to produce new materials. The authors describe a path beyond recovering raw materials toward making high-performance batteries from complex waste. Whether that path reaches factories, and how quickly, depends on tests beyond the laboratory that the study does not yet report.
Per i riciclatori, il vantaggio sarebbe trasformare rifiuti difficili da vendere in componenti che i produttori di batterie possono utilizzare direttamente. Per i produttori di batterie, il percorso indica un approvvigionamento più circolare, con meno risorse ed energia necessarie per produrre nuovi materiali. Gli autori descrivono un percorso che va oltre il recupero di materie prime, verso la produzione di batterie ad alte prestazioni a partire da rifiuti complessi. Se questo percorso arriverà nelle fabbriche, e con quale rapidità, dipende da test ulteriori rispetto a quelli di laboratorio, che lo studio non riporta ancora.