Ionska tekućina reciklira litij-ionsku bateriju
Godišnje se na svijetu proizvede 400 tisuća tona litijevih baterija koje treba na neki način reciklirati. I evo rješenja: smjesa oksalne kiseline i kolin-korida za izdvajanje litija i kobalta.
Ionske tekućine su kemijsko čudo našega doba. Bolje bi bilo reći da su ionske tekućine jedno od mnogih čuda što su ih kemičari našeg vremena priredili u laboratoriju, no to naravno ne mijenja ništa na stvari. Jer kako god da vrednujemo ionske tekućine, ne možemo im ni uvećati ni umanjiti raznolikost i mogućnost primjene.
Najjednostavnije rečeno, ionske tekućine su organski ionski spojevi s niskim talištem. Ionske spojeve nalazimo, razumije se, i u anorganskoj kemiji, ali je njihovo talište visoko: kuhinjska sol, NaCl, tali se pri 804 oC, a natrijev hidroksid, NaOH, pri 318 oC. No nije samo talište važno, jer se ono može sniziti dodatkom neke druge soli: talište NaCl se za potrebe dobivanja natrija elektrolizom taline snižava na 500–600 oC dodatkom kalcijeva klorida, CaCl2. Mnogo je važnije što ionske tekućine imaju svojstva vode ali i organskih otapala, ili – bolje rečeno – ona ujedinjuju dobra svojstva obje vrste otapala. U organskim se otapalima ne otapaju ionski spojevi, a voda je pak reaktivna tekućina. Ovo posljednje ne bi rekao nitko osim kemičara, a još manje bi rekao da je voda kiselina. Upravo tako, jer ono što u svakodnevnom životu zovemo kiselinama (klorovodična, sumporna, octena, limunska... kiselina ) zapravo se, u kemijskom smislu, ne razlikuju od etanola ili acetilena (etina) – jedina je razlika u tome što su prvo navedeni kemijski spojevi jače kiseline od vode. Kao i svaka druga kiselina H2O gradi soli: one se zovu oksidi i hidroksidi.
Jedna od tih čudnih, ionskih tekućina je oksalin (oxaline), smjesa kolin-klorida i oksalne kiseline. Oksalna kiselina se tali pri 187 oC, a kolin-klorid se ne tali uopće ili, točnije, raspada se pri taljenju kada se zagrije na 302 oC. No kada se to dvoje pomiješaju, dobiva se već pri sobnoj temperaturi gusta, viskozna tekućina!
O čemu se tu radi bolje ćemo shvatiti napišemo li kemijske formule ta dva organska spoja. Formula prvog, kolin-klorida je HO-CH2CH2-N(CH3)3+ Cl-, a drugog, oksalne kiseline, HOOC-COOH ili H2C2O4. I upravo su smjesu ta dva spoja upotrijebili južnoamerički znanstvenici iz Ekvadora da riješe problem recikliranja katode litij-ionske baterije. Rezultate su istraživanja objavili u časopisu Molecules pod naslovom „Recovery of lithium and cobalt from spent lithium-ion batteries using a deep eutectic solvent based on choline chloride and oxalic acid (oxaline)“.
Razlog za izdvajanje litija i kobalta ne treba posebno obrazlagati. Što se baterije budu više proizvodile, potražnja za tim metalima sve će više rasti, pa će se morati iskorištavati lošija rudna ležišta uz višu cijenu i veću štetu za prirodni okoliš. Litij i kobalt čine najveći dio katode, naravno nakon što se podvrgne žarenju pri 700 oC da bi se uklonile organske tvari. „Pepeo“ katode litij-ionske baterije sadrži čak 54,5 % kobalta i 6,5 % litija. Usto sadrži 9,8 % mangana te 1,5 % nikla, no ti metali nisu toliko ni cijenjeni ni važni kao ona prva dva (oni se nalaze kao primjese osnovnog spoja LiCoO2). No, krenimo na postupak.
Kada se „pepeo“ katode otapa u oksalinu, od LiCoO2 nastaju dva kemijska spoja, dvije soli. Prava je kobaltov(II) oksalat dihidrat, CoC2O4⸱2H2O, a druga litijev hidrogenoksalat hidrat, LiH(C2O4)⸱H2O. Koliko će postupak biti djelotvoran ovisi o viskoznosti reagensa, oksalina. Viskoznost pak opada s temperaturom, pa je to razlog zašto se pri 60 oC može izdvojiti samo 40 % kobalta, a pri 90 oC praktički 100 %. Pri dodatku 1-2 % „pepela“ i temperaturi od 90 oC već se nakon jednog sata otopi sav litij, a nakon četiri sata sav kobalt. Otopini se potom doda etanol u kojem se otapa oksalna kiselina i kolin-klorid, ali ne i oksalati. Oksalati se stoga talože te odvajaju centrifugiranjem. Tekućina iznad taloga (supernatant) se otoči, te se otparavanjem etanola regenerira oksalna kiselina i kolin-klorid. Litijeve i kobaltove soli se potom razdvajaju zahvaljujući činjenici da je litijev oksalat topljiviji u vodi od kobaltovog oksalata. Tako se dobiva čista litijeva i kobaltova sol. Litijev oksalat je bijel, a kobaltov ružičast.
Prednost novog tehnološkog postupka je da ne zahtijeva visoku temperaturu, izuzmemo li žarenje katode da bi se od nje priredio pepeo. Niska temperatura, u ovom slučaju niža od vrelišta vode, mnogo znači jer bi se u budućem tehnološkom postupku mogla koristiti otpadna toplina nastala pri proizvodnji električne energije ili nekim drugim tehnološkim procesom. Ne manje je važna činjenica da oksalin nije korozivan (poput sumporne kiseline koja se sada koristi za recikliranje litijskih baterija), a usto je bez svake sumnje „zeleno otapalo“. Obje se njegove komponente naime nalaze u živoj prirodi: oksalne kiseline ima u povrću (posebice u špinatu), a kolin je kemijski spoj koji sudjeluje u prijenosu živčanog impulsa.
Nenad Raos, rođen u Zagrebu 1951., je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, od 2017. u mirovini. Autor je oko 200 znanstvenih i stručnih radova iz područja teorijske i bioanogranske kemije te povijesti i filozofije znanosti. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Sada piše za Čovjek i svemir te za mrežne stranice Panopticum i, naravno, Bug online. Autor je 16 znanstveno-popularnih knjiga, među kojima su „Kemičar u kući – kemija svakodnevnog života“ i „Antologija hrvatske popularizacije prirodnih znanosti“.
