چقدر با هیدرومتالوژی آشنا هستید؛ پیش از هرچیز لازم است بدانید لیتیوم باتری‌های خودروهای برقی اغلب بازیافت نمی‌شوند؛ معمولا پس از بازیافت فلزات همراه آن، لیتیوم به زباله تبدیل می‌شود. اما این رویه ممکن است تغییر کند. جایزه نوبل شیمی سال جاری به سه پیشگام توسعه باتری‌های قابل شارژ لیتیوم- یونی اهدا شد. این باتری‌ها حالا همه جا رایج هستند و قسمتی حیاتی از خودروهای برقی امروز به‌شمار می‌روند.
اما لیتیوم نسبتا کمیاب است و فقط به صورت کانه‌های کوچک در پوسته زمین یافت می‌شود. با این وجود، سودآوری بازیافت این ماده بسیار کم است. در واقع مالکان خودروهای برقی مجبور به پرداخت وجه برای بازیافت باتری خودروهای خود شده‌اند.
یک گروه پژوهشی در دانشگاه علم و فناوری نروژ (NTNU) در حال همکاری با صنعت این کشور است تا راهکاری پیدا کند. هدف این گروه، بازیافت 100 درصدی لیتیوم از باتری خودروهای برقی است.
ایجاد تنوع در تکنولوژی رایج هیدرومتالورژی
هدف اصلی پژوهش، بازیافت لیتیوم باتری خودروهای برقی به روش هیدرومتالورژی است. در این روش، ابتدا مواد اولیه در آب حل می‌شوند و سپس ماده مورد نظر برای استخراج، رسوب داده می‌شود. شرکت‌های نروژی در این روش تجربه طولانی‌مدتی دارند. از این روش به طور مثال برای استخراج نیکل و روی استفاده می‌شود.
اما لیتیوم باتری خودروهای برقی بازیافت نمی‌شوند. این باتری‌ها به دلایل زیست‌محیطی به آن سوی دنیا در چین فرستاده می‌شد تا بازیافت شوند. اما حالا چینی‌ها به اندازه کافی زباله دارند و دیگر زباله‌های غرب را قبول نمی‌کنند. در عوض، باتری خودروهای برقی نروژ در شهرداری ساندفیورد انبار می‌شوند و پس از جداسازی، برای بازیافت به اروپا، آمریکای شمالی و آسیا فرستاده می‌شود.
در اروپا، باتری‌ها معمولا سر از واحدهای بازیافت در بلژیک، آلمان یا کانادا درمی‌آورند. در این واحدها، باتری‌ها سوزانده می‌شوند و مس و نیکل آنها بازیافت می‌شود. در این فرآیند، لیتیوم به هدر می‌رود. برای حفظ لیتیوم جهت بازیافت، باید روش جدیدی پیدا شود. روش‌های هیدرومتالورژیکی مناسب هستند و تا حدودی نیز استفاده می‌شوند، اما لیتیوم را بازیافت نمی‌کنند.
واحد آزمایشی
گروه پژوهشی دانشگاه علم و فناوری نروژ در حال توسعه فرآیندی به نام «توده سیاه» برای بازیافت لیتیوم، نیکل و کبالت است. توده سیاه، پودر سیاهی است که مواد فعال باتری را (یعنی مواد الکترود باتری) در خود دارد. ترکیب این مواد بسته به فرآیند شیمیایی تولید پیل‌های باتری، متفاوت است اما معمولا شامل نیکل، کبالت، منگنز، لیتیوم و کربن می‌شود.
سه دانشجوی مقطع کارشناسی ارشد دانشگاه علم و فناوری نروژ و یک انترن انتقالی استرالیایی در این گروه پژوهشی فعال هستند. این گروه در حال بررسی دو نوع باتری Leaf و منشوری هستند.
همچنین شرکت‌های Norsk Hydro و Glencore Nikkelverk نیز با سال‌ها تجربه در زمینه هیدرومتالورژی در این پروژه مشارکت دارند. شرکت فنلاندی Keliber نیز در این پروژه همکاری می‌کند؛ بخشی از مالکیت این شرکت، نروژی است و هدف آن تولید لیتیوم هیدروکسید برای بازار جهانی باتری است. قرار است یک واحد پایلوت در سال 2024 و یک واحد در مقیاس اقتصادی و تجاری نیز در سال 2027 احداث شود.
پژوهشگران و شرکت‌های سوئدی نیز در این حوزه فعال هستند و یک واحد کامل نیز باید برای بازار اسکاندیناوی در نظر گرفته شده است. با این حال، صرف نظر از نتیجه اقدامات سوئد، این تکنولوژی و پژوهش از نظر اقتصادی جذاب هستند.
این پروژه سودآور خواهد شد
بازیافت لیتیوم از باتری خودروهای برقی هنوز صرفه اقتصادی ندارد، اما طبق گزارش Bloomberg در چند سال آینده شرایط تغییر خواهد کرد. دلیل اصلی سودآوری کم این فعالیت در حال حاضر، این است که حجم این مواد هنوز خیلی کم است. طول عمر باتری خودروهای الکتریکی حدود 10 سال است؛ بیشتر این باتری‌ها هنوز فعال هستند. اما با افزایش تعداد خودروهای برقی در چند سال آینده، تعداد باتری‌های مستعمل در نروژ نیز افزایش خواهد یافت. به این صورت، سودآوری بازیافت بهبود پیدا خواهد کرد. از این رو، فناوری و تجهیزات لازم باید تا آن زمان مهیا شود.
بسیاری از باتری‌های لیتیومی کنونی از فلز نادر و گرانبهای «کبالت» به عنوان کاتد استفاده می‌کنند که استخراج آنها دردسرهای زیادی برای محیط زیست به همراه دارد. یکی از جایگزین‌های مناسب این فلز، «لیتیوم آهن فسفات» نام دارد که اخیرا دانشمندان به روش جدیدی برای بازیافت آن دست پیدا کرده‌اند.
پژوهش جدید توسط مهندسان نانو در دانشگاه «کالیفرنیا، سن دیگو» صورت گرفته و روی تکنیک‌های بازیافت برای باتری‌های با کاتد از جنس لیتیوم آهن فسفات تمرکز کرده است. با عدم استفاده از فلزات سنگین مانند نیکل و کبالت، از نابودی منابع آب در محل استخراج آنها جلوگیری می‌شود و کارگران نیز در معرض خطر قرار نمی‌گیرند.
خطراتی که کبالت برای محیط زیست به همراه دارد، باعث شده شرکت‌ها به دنبال طراحی جایگزین باتری باشند که از میان آنها میان به تسلا و IBM اشاره کرد. امسال خودروی تسلا مدل ۳ با باتری لیتیوم آهن فسفات وارد بازار شد. این باتری‌ها ایمن‌تر هستند، طول عمر بالاتری دارند و هزینه ساخت آنها نیز پایین‌تر است، با این حال بازیافت آنها هزینه بالایی طلب می‌کند.
فرایند بازیافت جدید محققان روی دو مکانیزم افت عملکرد باتری‌های لیتیوم فسفات آهن متمرکز شده است. با از دست رفتن یون‌های لیتیوم، درون کاتد فضاهای خالی ایجاد می‌شود و یون‌های آهن و لیتیوم در ساختار کریستالی جای خود را تغییر می‌دهند. این فرایند یون‌های لیتیوم را به دام می‌اندازد و مانع از حرکت لیتیوم درون باتری می‌شود.
محققان برای پژوهش خود یک باتری لیتیوم آهن فسفات تجاری را تهیه و نیمی از ظرفیت آن را خالی کردند. آنها سپس سلول‌های باتری را جدا کرده و پودر حاصله را درون یک محلول با نمک لیتیوم و اسید سیتریک قرار دادند. پژوهشگران این ماده را خشک کرده و در دمای ۶۰ تا ۸۰ درجه سلسیوس گرم کردند.
این پودر به یک کاتد جدید تبدیل شد و درون باتری‌های سکه‌ای مورد آزمایش قرار گرفت. تیم با این آزمایش متوجه شد که عملکرد آن را می‌توان به حالت اولیه بازگرداند، چرا که این فرایند نه تنها ذخایر یون‌های لیتیوم را دوباره پر می‌کند، بلکه به علت استفاده از اسید سیتریک امکان قرارگیری یون‌های لیتیوم و آهن در محل اصلی خود در ساختار کاتد را نیز فراهم می‌کند.
طبق اعلام این تیم، روش جدید به ۸۰ تا ۹۰ درصد انرژی کمتری در مقایسه با فرایندهای کنونی بازیافت باتری‌های لیتیوم آهن فسفات نیاز دارد و ۷۵ درصد گاز گلخانه‌ای کمتر منتشر می‌کند. نتیجه کار محققان در ژورنال «Joule» به چاپ رسیده است.
