بازیافت سبز: باتری های لیتیومی فرسوده با فناوری الکتروشیمیایی بازمی‌گردد

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، با افزایش روزافزون خودرو‌های برقی در جاده‌ها، قانون‌گذاران و خودروسازان در حال بررسی این موضوع هستند که پس از اتمام عمر مفید میلیون‌ها باتری که به خودرو‌های برقی نیرو می‌دهند، چه کاری می‌توان انجام داد. حتی زمانی که عمر مفید آنها تمام شده باشد، باتری‌های خودرو‌های برقی حاوی لیتیوم ارزشمندی هستند که از نظر تئوری می‌توان آنها را بازیافت و در باتری‌های جدید استفاده کرد، اما یافتن راهی مقرون‌به‌صرفه برای انجام این کار بسیار مهم است.

 

اکنون، گروهی از شیمیدانان دانشگاه ویسکانسین-مدیسون امیدوارند که راه حلی پیدا کرده باشند، و در حال حاضر در حال ثبت اختراع و جلب نظر خودروسازان جهانی هستند.

 

این کار توسط کیونگ-شین چوی، استاد شیمی دانشگاه ویسکانسین-مدیسون که در توسعه فرآیند‌های الکتروشیمیایی برای اهداف مختلف تخصص دارد، رهبری شده است. در این مورد، چوی و همکارانش اثبات مفهومی برای استفاده از الکتروشیمی برای استخراج لیتیوم از باتری‌های لیتیوم-آهن-فسفات (LFP) مصرف‌شده ارائه داده‌اند که به‌طور گسترده توسط تولیدکنندگان بزرگ خودرو‌های برقی مانند تسلا و BYD چین مورد استفاده قرار گرفته است.

 

باتری‌های خودرو‌های برقی مبتنی بر لیتیوم در چند نوع عرضه می‌شوند و اگرچه باتری‌های LFP چگالی انرژی کمتری نسبت به باتری‌هایی دارند که بر پایه عناصری مانند نیکل، منگنز و کبالت هستند، اما تولید آنها به طور قابل توجهی ارزان‌تر و عملکرد ایمن‌تری دارند. از طرف دیگر، آهن و فسفات در مقایسه با نیکل یا کبالت ارزش چندانی ندارند و همین امر باعث می‌شود باتری‌های LFP از نظر بازیافت جذابیت کمتری داشته باشند.

 

چوی می‌گوید: در حال حاضر، هیچ روش اقتصادی قانع‌کننده‌ای برای بازیابی لیتیوم از باتری‌های LFP مصرف‌شده وجود ندارد، حتی با اینکه بازار به سمت آنها در حال تغییر است.» او خاطرنشان می‌کند که به دست آوردن لیتیوم از معادن و رسوبات آب‌نمک، حتی اگر ارزان‌تر از بازیافت باشد، پیامد‌های منفی زیست‌محیطی زیادی دارد.

 

چوی می‌گوید: «دسترسی به این منابع طبیعی لیتیوم نیز محدود است. ما به یک روش نوآورانه نیاز داریم که بازیابی لیتیوم از باتری‌های LFP مصرف‌شده را از نظر تجاری مقرون‌به‌صرفه کند تا از اقتصاد چرخشی و رقابتی باتری پشتیبانی کند.

 

این مشکل از زمانی که اتحادیه اروپا مقررات جدیدی را با هدف کاهش اثرات زیست‌محیطی باتری‌ها وضع کرده است، برای خودروسازان جهانی بیش از پیش جدی شده است. از سال ۲۰۳۱، باتری‌های خودرو‌های برقی جدید فروخته شده در اتحادیه اروپا ملزم به گنجاندن حداقل درصدی از لیتیوم بازیافتی خواهند بود.

 

چوی می‌گوید روش‌های فعلی برای بازیابی لیتیوم از باتری‌های مصرف‌شده به گرمای شدید یا مجموعه‌ای گسترده از مراحل بستگی دارد که مواد شیمیایی زیادی مصرف می‌کنند و ضایعات قابل توجهی تولید می‌کنند.

 

او می‌گوید: «هر دوی آنها از نظر اقتصادی برای بازیابی لیتیوم از باتری‌های LFP مصرف‌شده، مقرون‌به‌صرفه نیستند.

 

در عوض، چوی یک فرآیند الکتروشیمیایی دو مرحله‌ای را توسعه داد که به شرایط خاصی نیاز ندارد و ورودی‌ها و ضایعات شیمیایی را به حداقل می‌رساند. در مرحله اول، یون‌های لیتیوم از باتری‌های LFP مصرف‌شده شسته شده و توسط یک الکترود ذخیره‌سازی یون لیتیوم به صورت انتخابی استخراج می‌شوند. در مرحله دوم، یون‌های لیتیوم استخراج‌شده در یک محلول جداگانه آزاد می‌شوند تا به عنوان مواد شیمیایی لیتیوم با خلوص بالا بازیابی شوند.

 

چوی و همکارانش قابلیت اجرایی این فرآیند را با استفاده از یک باتری LFP تجاری و ماده سیاه (black mass) که یک ماده تولید انبوه صنعتی از باتری‌های LFP مصرف‌شده است، نشان داده‌اند. آنها اخیراً این فرآیند را در مقاله‌ای که در مجله ACS Energy Letters منتشر شده است، به تفصیل شرح داده‌اند و از طریق بنیاد تحقیقات فارغ‌التحصیلان ویسکانسین، حق ثبت اختراع آن را ثبت کرده‌اند.

 

این کار توجه سازندگان باتری و خودروسازان را که به دنبال راه‌های جدیدی برای تقویت مقاومت بازار باتری هستند و به قابلیت تجاری‌سازی فرآیند الکتروشیمیایی علاقه‌مندند، جلب کرده است. تیم چوی اکنون در حال توسعه نمونه اولیه‌ای از این فناوری است تا به برخی از سؤالات مهم در مورد چگونگی تجاری‌سازی این فرآیند پاسخ دهد و او در حال تأسیس یک شرکت نوپا به امید تجاری‌سازی موفقیت‌آمیز آن است.

 

چوی می‌گوید: این فناوری کار می‌کند، اما مهم است که آن را به مقرون‌به‌صرفه‌ترین شکل ممکن توسعه دهیم.» او می‌افزاید که برای تجاری‌سازی موفقیت‌آمیز، ساده‌سازی این فناوری با سایر مراحل فرآیند کلی بازیافت، مانند تولید و استفاده از توده سیاه، بسیار مهم خواهد بود.