طور باحث من جامعة تورنتو تقنية جديدة للمساعدة في إعادة تدوير المعادن في بطاريات أيونات الليثيوم ، والتي يزداد الطلب عليها وسط ارتفاع المبيعات العالمية للسيارات الكهربائية.
اقترحت جيزيل عظيمي ، الأستاذة في أقسام علوم وهندسة المواد والهندسة الكيميائية والكيمياء التطبيقية في كلية العلوم التطبيقية والهندسة ، وفريقها طريقة جديدة وأكثر استدامة لتعدين المعادن الثمينة – بما في ذلك الليثيوم والكوبالت والنيكل والمنغنيز – من بطاريات الليثيوم أيون التي وصلت إلى نهاية عمرها الافتراضي.
يقول Jiakai (Kevin) Zhang ، الحاصل على درجة الدكتوراه: “إن الحصول على هذه المعادن من الخام الخام يتطلب قدرًا كبيرًا من الطاقة”، مرشح في الهندسة الكيميائية والكيمياء التطبيقية وهو مؤلف رئيسي في ورقة جديدة نُشرت مؤخرًا في الموارد والحفظ وإعادة التدوير .
ويوضح “إذا قمنا بإعادة تدوير البطاريات الحالية، فيمكننا الحفاظ على سلسلة التوريد المقيدة والمساعدة في خفض تكلفة بطاريات السيارات الكهربائية، مما يجعل تكلفة المركبات في المتناول.”
يتضمن جزء من التزام كندا بالوصول إلى صافي انبعاثات صفرية بحلول عام 2050 هدفًا إلزاميًا يتطلب أن تكون سيارات الخدمة الخفيفة الجديدة وشاحنات الركاب المباعة في البلاد كهربائية بحلول عام 2035.
سيتطلب تحقيق هذا الهدف زيادة المعروض من المعادن المهمة ، والتي يكون سعرها مرتفعًا بالفعل. على سبيل المثال ، يعد الكوبالت ، وهو مكون رئيسي في إنتاج الكاثود لبطاريات الليثيوم والنيكل والمنغنيز وأكسيد الكوبالت (يُشار إليه اختصارًا باسم NMC) المستخدمة على نطاق واسع في المركبات الكهربائية ، وهو أيضًا أحد أغلى مكونات بطاريات الليثيوم أيون نظرًا لأن الاحتياطي محدود.
توقل جيزيل عظيمي: “نحن على وشك الوصول إلى نقطة تصل فيها العديد من بطاريات الليثيوم أيون إلى نهاية عمرها الافتراضي “. “لا تزال هذه البطاريات غنية جدًا بالعناصر المهمة ويمكن أن توفر موردًا حيويًا للاسترداد.”، لا يمكن أن توفر إعادة التدوير هذه المواد بتكلفة أقل فحسب ، بل إنها تقلل أيضًا من الحاجة إلى تعدين الخام الخام الذي يأتي مع تكاليف بيئية وأخلاقية.
عمر بطاريات السيارات الكهربائية من 10 إلى 20 عامًا
يتراوح العمر المتوقع لبطاريات السيارات الكهربائية من 10 إلى 20 عامًا، لكن معظم مصنعي السيارات يقدمون ضمانًا لمدة ثماني سنوات أو 160 ألف كيلومتر فقط – أيهما يأتي أولاً، عندما تصل بطاريات المركبات الكهربائية إلى نهاية عمرها الافتراضي، يمكن تجديدها للاستخدامات الثانية أو إعادة تدويرها لاستعادة المعادن، لكن اليوم، يتم التخلص من العديد من البطاريات بشكل غير صحيح وينتهي بها الأمر في مقالب القمامة.
يقول تشانج: “إذا واصلنا تعدين الليثيوم والكوبالت والنيكل للبطاريات ثم طمرناها في نهاية عمرها الافتراضي، فسيكون هناك تأثير بيئي سلبي ، خاصة إذا حدث ترشيح بالكهرباء المسببة للتآكل ويلوث أنظمة المياه الجوفية”.
تعتمد العمليات التقليدية لإعادة تدوير بطاريات الليثيوم أيون على المعالجة المعدنية بالحرارة ، والتي تستخدم درجة حرارة عالية للغاية، أو المعالجة بالمعدن المائي ، والتي تستخدم الأحماض وعوامل الاختزال للاستخراج.
هاتان العمليتان كثيفتان للطاقة: ينتج التعدين الحراري انبعاثات غازات الاحتباس الحراري ، بينما ينتج التعدين المائي مياه الصرف الصحي التي تحتاج إلى المعالجة والتعامل معها.
في المقابل ، تستخدم مجموعة مختبر Azimi استخراج السوائل فوق الحرج لاستعادة المعادن من بطاريات الليثيوم أيون المنتهية الصلاحية، تفصل هذه العملية مكونًا عن آخر باستخدام مذيب استخلاص عند درجة حرارة وضغط أعلى من نقطته الحرجة ، حيث يتبنى خصائص كل من السائل والغاز.
لاستعادة المعادن، استخدم Zhang ثاني أكسيد الكربون كمذيب ، والذي تم إحضاره إلى الطور فوق الحرج عن طريق زيادة درجة الحرارة فوق 31 درجة مئوية، والضغط حتى 7 ميجا باسكال.
أظهر الفريق في الورقة البحثية أن هذه العملية تطابق كفاءة استخراج الليثيوم والنيكل والكوبالت والمنغنيز بنسبة 90% مقارنة بعمليات الترشيح التقليدية، بينما تستخدم أيضًا مواد كيميائية أقل وتنتج نفايات ثانوية أقل بشكل ملحوظ.
توضح جيزيل عظيمي ، كان المصدر الرئيسي للطاقة التي تم إنفاقها أثناء عملية استخراج السوائل فوق الحرجة ناتجًا عن ضغط ثاني أكسيد الكربون،”ميزة طريقتنا هي أننا نستخدم ثاني أكسيد الكربون من الهواء كمذيب بدلاً من الأحماض أو القواعد شديدة الخطورة”، “ثاني أكسيد الكربون متوفر بكثرة ورخيص وخامل ، كما أنه سهل التعامل معه والتنفيس وإعادة التدوير.”
لا يعد استخراج السوائل فوق الحرج عملية جديدة. تم استخدامه في الصناعات الغذائية والدوائية لاستخراج الكافيين من حبوب البن منذ السبعينيات. يعتمد عمل عظيمي وفريقها على الأبحاث السابقة في مختبر المواد الإستراتيجية لاستعادة العناصر الأرضية النادرة من بطاريات النيكل- فلز -هيدريد.
ومع ذلك ، فهذه هي المرة الأولى التي تُستخدم فيها هذه العملية لاستعادة المعادن من بطاريات الليثيوم أيون ، على حد قولها.
تقول عظيمي: “نحن نؤمن حقًا بنجاح وفوائد هذه العملية”، “نحن نتحرك الآن نحو تسويق هذه الطريقة لزيادة مستوى استعدادها التكنولوجي. خطوتنا التالية هي إنهاء الشراكات لبناء مرافق إعادة التدوير على نطاق صناعي للموارد الثانوية. إذا تم تمكينها ، فسيكون تغييرًا كبيرًا في اللعبة.”
