Cornell’den lityum iyon bataryalarda doğrudan yenileme yöntemi

Cornell Üniversitesi araştırmacıları, elektrikli araçların yaygınlaşmasıyla hızla büyüyen kullanım ömrünü tamamlamış batarya sorununa karşı lityum iyon hücreleri temel hammaddelerine ayrıştırmadan yenileyen yeni bir yöntem geliştirdi. 'Doğrudan Elektrottan Elektrota Yenileme' (DEER) adı verilen süreç, bataryayı tamamen parçalanması gereken bir hammadde kaynağı yerine, belirli bileşenleri doğrudan yenilenebilen bir yapı olarak ele alıyor. Yöntem, özellikle kullanım sırasında elektrot yüzeylerinde oluşan ve kapasite kaybına yol açan katı elektrolit arayüzü (SEI) tabakasını hedefliyor.

ELEKTROT YENİLEME

DEER sürecinde yaşlanan bataryaların elektrot yüzeylerinde biriken SEI katmanı, 1,3-dimetil-2-imidazolidinon (DMI) içeren kimyasal bir banyoyla temizleniyor. İşlem sırasında elektrotun temel yapısının korunması amaçlanıyor. Araştırmacıların elde ettiği sonuçlara göre bu yöntemle işlenen hücreler, başlangıçtaki kapasitelerinin yüzde 95’ine kadar yeniden ulaşabiliyor. Bataryaların yakılması, ezilmesi veya bileşenlerine tamamen ayrılması yerine mevcut elektrotların yeniden kullanılmasına dayanan yaklaşım, geri dönüşüm sürecini daha az aşamalı hale getiriyor.

DAHA UZUN ÖMÜR

Yenileme işlemi yalnızca mevcut kapasitenin önemli bölümünü geri kazandırmakla kalmıyor, sonraki kullanım döngülerindeki performansı da etkiliyor. DEER yöntemiyle işlem gören hücrelerde bozulma oranının döngü başına yüzde 0,042 seviyesine gerilediği bildiriliyor. Bu sonuç, elektrot yapısı büyük ölçüde sağlam kalan ancak SEI birikimi nedeniyle performans kaybeden bataryaların kullanım süresinin uzatılabileceğini gösteriyor. Böylece hücrelerin doğrudan geri kazanılması, mevcut malzemenin daha uzun süre sistem içinde tutulmasına imkan sağlıyor.

MALİYET AVANTAJI

Mevcut ticari geri dönüşüm tesislerinde kullanılan pirometalurji ve hidrometalurji yöntemlerinde bataryalardaki değerli metaller yüksek sıcaklık veya yoğun kimyasal işlemlerle ayrıştırılıyor. Bu yöntemlerin maliyetinin kilogram başına yaklaşık 26,31 dolar olduğu belirtilirken, DEER sürecinde aynı rakam 15,25 dolara kadar geriliyor. Özellikle elektrikli araç bataryalarının genellikle orijinal kapasitelerinin yüzde 70-80 seviyesine düştüğünde araçlardan çıkarıldığı dikkate alındığında, elektrotların önemli bölümünün fiziksel olarak kullanılabilir durumda kalması doğrudan yenileme yaklaşımını alternatif bir seçenek haline getiriyor.

DMI GERİ KAZANIMI

Sistemin maliyet yapısında kullanılan DMI çözeltisinin yeniden değerlendirilmesi de önemli bir unsur oluşturuyor. Çözeltinin işlem sonrasında geri kazanılması ve yeni bataryaların yenilenmesinde tekrar kullanılabilmesi halinde birim maliyetlerin daha da düşürülebileceği belirtiliyor. Bu yapı, batarya geri dönüşümünde hammaddenin yeniden ayrıştırılmasına dayanan yöntemlerden farklı olarak elektrot seviyesinde müdahaleye odaklanıyor. Araştırmacılar, yöntemin otomotiv ve enerji depolama sektörlerinde geri dönüşüm süreçlerinin maliyet ve operasyon yapısını değiştirebilecek bir seçenek sunduğunu değerlendiriyor.

SÖKÜM ZORLUĞU

DEER’in laboratuvar ölçeğinden endüstriyel üretime taşınmasının önünde ise bazı mühendislik sorunları bulunuyor. Batarya hücrelerinin açılması, elektrotların zarar görmeden ayrılması ve DMI çözeltisiyle kontrollü biçimde yıkanması gerekiyor. Araştırmacıların çözeltiyi doğrudan kapalı batarya hücresine enjekte etmeye yönelik denemelerinde henüz istenen verim elde edilemedi. Bu nedenle mevcut yöntemde batarya paketlerinin manuel veya robotik hatlarda sökülmesi gerekiyor. Bu işlem, seri uygulamadaki sistem entegrasyonu ve işleme maliyetlerini doğrudan etkiliyor.

SINIRLI UYGULAMA

Yöntem her kullanım ömrünü tamamlamış batarya için uygulanabilir değil. Lityum kaybı, mekanik kırılma veya elektrot yapısında ciddi fiziksel hasar bulunan hücrelerde doğrudan yenileme yeterli olmuyor ve geleneksel geri dönüşüm süreçlerine ihtiyaç devam ediyor. DEER daha çok SEI birikimi nedeniyle performans kaybeden, ancak temel elektrot yapısını koruyan hücrelere odaklanıyor. Bu nedenle teknoloji mevcut geri dönüşüm yöntemlerinin tamamen yerine geçmekten çok, uygun durumdaki bataryaların daha düşük maliyetle yeniden kullanılmasına yönelik ek bir seçenek sunuyor.