واحدة من أفضل 100 تقنية ثورية تم تطويرها على مستوى العالم في 2022..إعادة تدوير البطاريات بطريقة أسرع وأرخص وأسهل

أحدثت بطاريات الليثيوم أيون ثورة في الإلكترونيات ومكنت من التحول السريع نحو الطاقة النظيفة، أصبحت هذه البطاريات جزءًا لا يتجزأ من عمر القرن الحادي والعشرين، لكننا معرضون لخطر النفاد قبل عام 2050.

العناصر الرئيسية المستخدمة في كل بطارية- الليثيوم والنيكل ومعادن الكوبالت بالإضافة إلى الجرافيت – أصبحت نادرة ومكلفة بشكل متزايد، وهناك القليل من الإشراف البيئي أو العمل العادل على بعض سلاسل التوريد الدولية المتبقية.

هناك حاجة ملحة لبدء إعادة استخدام المواد، ولجعل عملية إنتاج البطاريات أكثر أمانًا وإنصافًا للجميع، اخترع فريق من العلماء من مختبر لورانس بيركلي مادة بطارية جديدة حائزة على جوائز يمكنها تحديد كلا الصندوقين.

منتجهم، المسمىQuick-Release Binder ، يجعل من السهل وبأسعار معقولة فصل المواد القيمة في بطاريات Li-ion عن المكونات الأخرى واستعادتها لإعادة استخدامها في بطارية جديدة .

قال قائد المشروع جاو ليو، وهو عالم بارز في منطقة تقنيات الطاقة في مختبر بيركلي وعضو في مركز بيركلي لاب لتخزين الطاقة : “لقد وصلنا إلى نقطة أن إعادة تدوير البطاريات ستكون مطلبًا”، “إذا لم نتوقف عن حرقها ورميها في القمامة ، فسوف تنفد مواردنا في السنوات العشر القادمة، من المستحيل مواكبة عدد البطاريات التي يطلبها السوق بخلاف ذلك، ليس هناك ما يكفي من الكوبالت، ليس كافيًا من النيكل – علينا إعادة التدوير “.

تحتاج البطارية المصنوعة من رابط الإصدار السريع إلى الفتح، ووضعها في ماء قلوي بدرجة حرارة الغرفة، ورجها برفق. يتم ترشيح العناصر المنفصلة بسهولة من الماء وتجفيفها بالهواء.

إنه تناقض حاد مع إعادة تدوير Li-ion الحالية، والتي تتضمن أولاً تمزيق البطاريات وطحنها، ثم حرقها لفصل المعادن عن المكونات الأخرى. تهدف شركات إعادة التدوير إلى جعل عملياتها فعالة قدر الإمكان، ولكن نظرًا للتصميم السابق والحالي لمعظم البطاريات، لا يزال استرداد العناصر كثيفًا للطاقة ومكلفًا ويطلق مواد كيميائية سامة يجب إدارتها بعناية.

أضف الماء (القلوي)

كان ليو وفريقه في مركز تخزين الطاقة في مختبر بيركلي يعملون على بطاريات الليثيوم – الكبريت – أحد البدائل الممكنة لبطاريات Li-ion التقليدية التي يتم تطويرها – عندما قاموا بإنشاء رابط الإصدار السريع، تعتبر بطاريات الليثيوم الكبريتية مفهومًا ساخنًا في عالم أبحاث وتطوير البطاريات لأنها يمكن تصنيعها بدون كوبالت نادر ولها كثافة طاقة نظرية أعلى منLi-ion ؛ ولكن هناك الكثير من المشكلات الوظيفية التي يجب حلها قبل اعتماد البطاريات تجاريًا.

مادة الربط الجديدة لديها إمكانات أكبر.

سيجعل رابط الإصدار السريع بطاريات Li-S قابلة لإعادة التدوير بسهولة ويبدو أنه يحل إحدى مشكلات الأداء الرئيسية، هذا الاكتشاف مثير للغاية، حسبما كشف تشين فانج، باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر ليو، والذي أدرك أن مادة الربط الجديدة لديها إمكانات أكبر.

ويكشف الباحث، أن المواد اللاصقة عبارة عن مواد شبيهة بالغراء تُستخدم في معظم أنواع البطاريات، بما في ذلك Li-ion والخلايا القلوية التي نستخدمها في الأدوات المنزلية.

تحتوي البطاريات على قطبين كهربائيين – القطب الموجب الشحنة والأنود السالب الشحنة – مصنوعان من مواد كيميائية موصلة تولد تيارًا كهربائيًا، ومواد هيكلية تحافظ على المكونات النشطة في مكانها لتحقيق أداء ثابت ودائم، تربط المجلدات، كما يوحي الاسم، هذه المكونات معًا وتساعد في الحفاظ على بنية البطارية.

تم تصنيع رابط الإصدار السريع الجديد من بوليمرين متاحين تجاريًا ، حمض البولي أكريليك (PAA) والبولي إيثيلين أمين (PEI) ، والتي تم ربطها معًا من خلال رابطة بين ذرات النيتروجين موجبة الشحنة وذرات الأكسجين سالبة الشحنة في PAA عندما يتم وضع المادة الرابطة الصلبة في ماء قلوي يحتوي على هيدروكسيد الصوديوم (Na + OH -) ، فإن أيون الصوديوم ينفجر في موقع الرابطة، ويفصل البوليمرات عن بعضهما البعض، تذوب البوليمرات المنفصلة في السائل، وتحرر أي مكونات قطب كهربي مضمنة بالداخل.

استخدام المواد للبطاريات من جميع الأحجام

يمكن استخدام الموثق في صناعة الأنودات والكاثودات، ويبلغ سعره حوالي عُشر سعر اثنتين من أكثر المُجلدات التجارية شيوعًا.

قال فانج: ” أظهرنا أن العملية برمتها سهلة للغاية على نطاق المختبر ولا نرى سببًا لعدم نجاحها على قدم المساواة على المستوى الصناعي”، وأضاف، أن الفريق يعتقد أنه يمكن استخدام المواد للبطاريات من جميع الأحجام، من البطاريات الصغيرة في الهواتف المحمولة إلى البطاريات الكبيرة جدًا التي يتم نشرها لتخزين الطاقة الاحتياطية على شبكة الكهرباء في البلاد.

في أواخر سبتمبر، تم الاعتراف بهذه التكنولوجيا من خلال جوائز R & D 100 باعتبارها واحدة من أفضل 100 تقنية ثورية تم تطويرها على مستوى العالم في عام 2022.

يعمل الفريق الآن مع ستيفن سلووب، مطور إعادة تدوير البطاريات ومؤسس OnTo Technologies ، لإنهاء اختبار المنتج وإحضاره إلى السوق.

أظهرت التجارب السابقة أن الموثق ثابت للغاية عند الفولتية العالية والمنخفضة ، وهم يخططون الآن لبناء نموذج أولي لبطاريات Li-ion مع الموثق لتحليل أدائها بشكل شامل وعرض وظائفها.

إذا سارت هذه الاختبارات بشكل جيد ، يتوقع العلماء انتقالًا سلسًا إلى التصنيع التجاري.

قال تشين: “لا توجد عقبة أساسية في تكييف عملية التصنيع الحالية لاستخدام المادة الرابطة لأنها ستعمل في الواقع على تبسيط التصنيع لنفس السبب الذي يجعل إعادة التدوير أسهل – يمكنك استخدام الماء بدلاً من المذيبات القاسية”.

ويضيف، لصنع بطاريات جديدة، يقوم المصنعون بمعالجة الروابط بالمذيبات الكيميائية لإنشاء ملاط يحتوي على جميع مكونات القطب، والذي يتم بعد ذلك ترسيبه بالشكل والسمك المطلوبين على ألواح الإلكترود، “هذا يعني أن المصنعين الحاليين بحاجة إلى إنشاء أدوات أو مرافق إضافية لحماية العمال من بخار المذيبات السام ولإدارة التخلص الآمن من المذيب”.

إعادة تصميم دورة حياة البطارية

وفقًا لـسلوب، يمثل Quick-Release Binder نقلة نوعية في تصميم البطارية، بدلاً من هندسة البطاريات المتقدمة ومحاولة إنشاء عملية إعادة التدوير بعد الحقيقة، كان فريق أول من “صمم لإعادة التدوير”.

قال سلوب : “يتميز الرابط بميزة رائعة تتمثل في أنه يمكن” فك ضغطه “باستخدام معالجة منخفضة التكلفة وحميدة بيئيًا، مما يفيدنا جميعًا من خلال تحسين الاستدامة الاقتصادية والبيئية لأنظمة البطاريات المتقدمة”ـ “إنه إنجاز رائع أيضًا أن البطاريات لا تحتوي على مواد بيرفلورو ألكيل وبولي فلورو ألكيل (PFAS) – مجموعة المركبات المستخدمة في صناعة الطلاء غير اللاصق والعديد من المنتجات الأخرى، ولكنها مهمة للغاية للمستقبل.

العملاء لا يريدون ذلك بسبب الارتباط الناشئ بالمسائل الصحية، وأعتقد أن المنظمين سيوافقون قريبًا على أنه لا يمكننا الاستمرار في استخدام هذه المواد الكيميائية “.

بالنظر إلى المستقبل ، يلتقي ليو وسلوب، مع شركات البطاريات ومصنعي الموثق لمناقشة التسويق، ويأملون في ترخيص تقنية الإصدار السريع بحيث يمكن استخدامها في جميع العلامات التجارية الرئيسية لـ Li-ion.

في يوم من الأيام، يمكن أن يكون اختراع الفريق في جميع البطاريات مما يترك المعادن الأرضية النادرة المتبقية تحت الأرض.