Improving the efficiency of electrochemical discharge of lithium ion batteries

Abstract

The number of spend lithium ion batteries (LIB) will increase drastically during the following ten years. Due to materials they contain and possible environmental problems these waste LIBs should be recycled. The current way of recycling is hazardous however, as the recyclable LIBs contain some energy. The proposed complete discharge is stated to happen in aqueous salt solutions without experimental proofs. Furthermore, the LIB voltage behavior during and after the discharge is only little reported and thus, the recovery effect, that increases the LIB voltage after the load has been disconnected, is hardly discussed in papers.

The discharge behavior and recovery effect were studied with a set of experiments. Two different LIBs and salt solutions were used. The LIBs were discharged in solution and recovered outside of it. The measurements were done hourly during the work days. The experiments enabled the comparison of the discharges for example by LIB type, concentration of the solution and length of discharge.

The results showed that the voltage limit for LIBs in used salt solutions was 1.7 V that matches the practical potential of water splitting reaction. The recovery effect increased the voltage to over 2.0 V regardless of the numerous discharges. Furthermore, this was the case for all experiments. The recovery effect was significant so it should be taken into account when discharging LIBs, which is not the common practice at the moment. Finally, some of the discharged LIBs showed signs of corrosion, but the occurrence was random. Therefore, some properties of the LIBs should be presumed as individuals, which hinders the already complicated process of discharge.

Käytetyt litiumioniakut lisääntyvät merkittävästi seuraavan kymmenen vuoden aikana. Koska ne sisältävät arvokkaita materiaaleja ja saattavat aiheuttaa ympäristöriskejä, käytetyt akut pitäisi kierrättää. Nykyinen kierrätysmenetelmä on kuitenkin riskialtis, koska käytetyt litiumioniakut sisältät suurella todennäköisyydellä jonkin verran energiaa. Ehdotettua täyspurkumenetelmää, akun sähkökemiallista purkamista suolaliuoksessa, käytetään kuitenkin ilman tieteellistä todentamista. Myös litiumioniakkujen purun aikaista ja jälkeistä jännitettä on tutkittu vain vähän, minkä takia jännitteen palautumisesta ei oikeastaa löydy kattavaa tutkimusta. Tämä palautuminen saa akun jännitteen kasvamaan, kun virtapiiri avataan.

Litiumioniakun purkua ja jännitteen nousua tutkittiin usealla eri kokeella, joissa käytettiin kahta eri litiumioniakkua ja suolaliuosta. Akkuja purettiin liuoksessa ja niiden annettiin palautua sen ulkopuolella. Mittaukset tehtiin tunnin välein työaikoina. Kokeet mahdollistivat purkujen vertailun muun muassa akkutyypin, liuoksen konsentraation ja purun keston välillä.

Tulokset osoittivat, että litiumioniakun jännite ei laske paljon alle 1.7 V:n, joka vastaa veden pilkkomisreaktion käytännön potentiaalia. Purun jälkeen jännite palautui yli 2.0 V:in riippumatta purkujen määrästä, ja se toteutui joka kokeessa. Jännitteen palautuminen oli niin merkittävä, että se pitäisi ottaa huomioon vastaavissa kokeissa, mikä ei toteudu tällä hetkellä. Osa akuista kärsi lisäksi korroosiosta, mutta sen esiintymisestä ei löydetty johdonukaisuuksia. Sen perusteella voi sanoa, että litiumioniakkuja tulisi tutkia yksilöinä, mikä vaikeuttaa niiden jo valmiiksi monimutkaista purkua.