“الذهب الأبيض” للطاقة النظيفة.. طريقة أسرع وأنظف لاستخراج الليثيوم من نفايات البطاريات

يُعد الليثيوم ، الذي يُعرف باسم “الذهب الأبيض” للطاقة النظيفة، مكونًا رئيسيًا في البطاريات الكبيرة والصغيرة، بدءًا من تلك التي تعمل على تشغيل الهواتف وأجهزة الكمبيوتر المحمولة إلى أنظمة تخزين الطاقة على نطاق الشبكة.

ورغم وفرة المعدن الأبيض الفضي نسبيًا، فقد يصبح العرض منه شحيحًا قريبًا بسبب المشهد المعقد للتوريد المتأثر بطفرة المركبات الكهربائية وأهداف صافي الانبعاثات الصفرية والعوامل الجيوسياسية.

ومن المتوقع أن ينمو سوق بطاريات الليثيوم أيون العالمية، التي تقدر قيمتها بأكثر من 65 مليار دولار في عام 2023، بأكثر من 23% في السنوات الثماني المقبلة، مما قد يؤدي على الأرجح إلى تفاقم التحديات القائمة في إمدادات الليثيوم.

علاوة على ذلك، فإن استعادة الليثيوم من البطاريات المستهلكة أمر مضر بالبيئة وغير فعال إلى حد كبير- وهو ما يعمل فريق من الباحثين في جامعة رايس بقيادة بوليكيل أجايان على تغييره.

في أحدث دراسة لهم نُشرت في Advanced Functional Materials ، وصف الباحثون طريقة سريعة وفعالة وصديقة للبيئة لاستعادة الليثيوم الانتقائي باستخدام إشعاع الميكروويف، ومذيب قابل للتحلل البيولوجي بسهولة.

تُظهر النتائج أن العملية الجديدة يمكنها استعادة ما يصل إلى 50% من الليثيوم في كاثودات بطاريات الليثيوم المستنفدة في أقل من 30 ثانية، مما يتغلب على عنق زجاجة كبير في تكنولوجيا إعادة تدوير بطاريات الليثيوم.

قالت سوهيني باتاتشاريا، إحدى المؤلفتين الرئيسيتين للدراسة وزميلة ما بعد الدكتوراه في أكاديمية رايس في مختبر المواد النانوية الذي يديره أجايان،” لقد شهدنا نموًا هائلاً في استخدام بطاريات الليثيوم أيون في السنوات الأخيرة، وهو ما يثير حتمًا مخاوف بشأن توافر المعادن الأساسية مثل الليثيوم والكوبالت والنيكل المستخدمة في الكاثودات”، “لذلك من المهم حقًا إعادة تدوير بطاريات الليثيوم أيون المستهلكة لاستعادة هذه المعادن”.

غالبًا ما تنطوي طرق إعادة التدوير التقليدية على أحماض قاسية، في حين تكافح المذيبات الصديقة للبيئة البديلة مثل المذيبات الأيوتكتيكية العميقة (DESs) فيما يتعلق بالكفاءة والجدوى الاقتصادية، وعلاوة على ذلك، فإن طرق إعادة التدوير الحالية تستعيد أقل من 5% من الليثيوم، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى التلوث والخسارة أثناء العملية فضلاً عن طبيعة الطاقة المكثفة للاستعادة.

قالت سلمى الهاشم، خريجة الدكتوراه في جامعة رايس والمؤلفة الرئيسية الأخرى للدراسة: “معدل الاسترداد منخفض للغاية لأن الليثيوم عادة ما يترسب آخرًا بعد جميع المعادن الأخرى، لذلك كان هدفنا هو معرفة كيفية استهداف الليثيوم على وجه التحديد”، “هنا استخدمنا DES وهو عبارة عن خليط من كلوريد الكولين وإيثيلين جليكول، مع العلم من عملنا السابق أنه أثناء الاستخلاص في هذا DES، يحيط الليثيوم بأيونات الكلوريد من كلوريد الكولين ويتم استخلاصه إلى المحلول.”

يشبه طريقة تسخين الميكروويف الطعام بسرعة

ولكي يتم استخلاص معادن أخرى مثل الكوبالت أو النيكل، يتعين أن يشارك كل من كلوريد الكولين وإيثيلين جليكول في العملية. ولما كان الباحثون يعلمون أن كلوريد الكولين هو المادة الوحيدة القادرة على امتصاص الموجات الدقيقة، فقد غمروا نفايات البطارية في المذيب ووجهوا إليها إشعاعات الموجات الدقيقة.

وقال باتاتشاريا “لقد سمح لنا هذا باستخراج الليثيوم بشكل انتقائي بدلاً من المعادن الأخرى، إن استخدام إشعاع الميكروويف لهذه العملية يشبه الطريقة التي يسخن بها الميكروويف الطعام بسرعة، تنتقل الطاقة مباشرة إلى الجزيئات، مما يجعل التفاعل يحدث بشكل أسرع بكثير من طرق التسخين التقليدية”.

وبالمقارنة بأساليب التسخين التقليدية مثل حمام الزيت، فإن التسخين بمساعدة الميكروويف يمكن أن يحقق كفاءة مماثلة أسرع بنحو 100 مرة، على سبيل المثال، باستخدام العملية القائمة على الميكروويف، وجد الفريق أن الأمر استغرق 15 دقيقة لاستخراج 87% من الليثيوم مقارنة بـ 12 ساعة اللازمة للحصول على نفس معدل الاسترداد عبر التسخين بحمام الزيت.

قالت الهاشم، “يُظهِر هذا أيضًا أنه يمكن تحقيق الانتقائية تجاه عناصر معينة ببساطة عن طريق ضبط تركيبة DES”، “وهناك ميزة أخرى تتمثل في استقرار المذيب: نظرًا لأن طريقة حمام الزيت تستغرق وقتًا أطول كثيرًا، يبدأ المذيب في التحلل، في حين لا يحدث هذا مع دورات التسخين القصيرة للميكروويف”.

يمكن أن تعمل هذه الطريقة المبتكرة على تحسين التأثير الاقتصادي والبيئي لإعادة تدوير بطاريات الليثيوم بشكل كبير، مما يوفر حلاً مستدامًا لقضية عالمية متنامية.

خطوة واعدة نحو نشر أنظمة إعادة التدوير

وقال أجايان، المؤلف المراسل للدراسة وأستاذ الهندسة ورئيس قسم علوم المواد والهندسة النانوية في جامعة رايس: “لا تعمل هذه الطريقة على تعزيز معدل الاسترداد فحسب، بل تقلل أيضًا من التأثير البيئي، مما يجعلها خطوة واعدة نحو نشر أنظمة إعادة التدوير القائمة على DES على نطاق واسع لاستعادة المعادن الانتقائية”.