Химики из США предложили использовать остаточный заряд литий-ионных батарей для выделения тяжелых металлов из воды. Они исследовали поведение батарей в растворах разной кислотности, содержащих ионы металлов, и нашли оптимальные условия для проведения реакции.

Статья опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

После разрядки литий-ионных батарей в них остается энергия, которую уже нельзя применить для питания электрических приборов из-за недостаточной электродвижущей силы. Тем не менее этой остаточной энергии обычно довольно много — до 10 процентов от исходного заряда батареи. И из соображений безопасности перед утилизацией батарейки дополнительно разряжают, при этом выделяющаяся энергия не выполняет полезную работу, а просто рассеивается в виде тепла.

Химики под руководством Сюй Чжэнь Мина (Xu Zhenming) из Калифорнийского университета в Беркли придумали, как эту энергию можно потратить с пользой. Они предположили, что использованные батарейки можно применить для выделения тяжелых металлов из воды. Но когда химики начали эксперименты по восстановлению водных растворов солей меди, кадмия и железа, оказалось, что восстановительный потенциал разряженных литий-ионных батарей сильно и неравномерно зависит от кислотности среды — а для разработки успешного электрохимического процесса потенциал должен быть постоянным. И ученые решили выяснить, почему потенциал катода ведет себя странно в растворе солей тяжелых металлов.

Сначала химики приготовили растворы гидроксида натрия, хлорида натрия и сульфата натрия. А затем в эти растворы погрузили батареи и провели вольтамперометрическое исследование. В результате выяснилось, что в растворах хлорида и сульфата натрия при возрастании потенциала железное покрытие батарейки быстро растворяется, а в растворе гидроксида натрия — нет. Поведение батарейки в щелочном растворе, как считают химики, было связано с пассивацией железной оболочки батареи: она покрывалась тонким слоем оксида, который не давал ей окисляться дальше. Так ученые выяснили, что ток, проходящий через батарейку, можно контролировать с помощью изменения кислотности среды. А так как катодный потенциал зависит от проходящего тока, на него тоже можно повлиять простой добавкой кислоты или щелочи.

Общая схема зависимости разных параметров реакции от кислотности среды и степени пассивации железного покрытия батареи / Honghuai Sun et al. / PNAS, 2023

Далее химики приготовили растворы солей меди и кадмия и попробовали выделить из них эти металлы по отдельности. Для этого в раствор добавили кислоты до значения водородного показателя в две единицы (pH = 2.0), а затем погрузили в него использованную батарейку. При этом ее железная поверхность стала растворяться, а на ней начала осаждаться медь, и 85 процентов остаточной энергии батареи ушло на выделение меди. С кадмием, который восстанавливался при pH=4, ситуация была хуже: только 13 процентов остаточной энергии батареи уходило на этот процесс.

Так химики показали, что до 90 процентов энергии использованных литий-ионных батарей можно использовать для выделения тяжелых металлов из воды. Помимо меди, цинка и кадмия, им удалось провести восстановление ионов шестивалентного хрома – на это ушло 88 процентов остаточной энергии батарейки.