روش انقلابی دانشگاه رایس: بازیافت لیتیوم باتری‌های برقی با ۱۰ برابر انرژی کمتر

چالش‌های فزاینده بازیافت باتری‌های لیتیومی خودروهای برقی

با گسترش روزافزون وسایل نقلیه الکتریکی (EV)، حجم باتری‌های لیتیومی مستعمل که در سراسر جهان انباشته می‌شوند، به سرعت در حال افزایش است. این در حالی است که بازیافت کارآمد این باتری‌ها همچنان یک چالش بزرگ محسوب می‌شود، زیرا استخراج و پالایش لیتیوم، ماده اصلی باتری‌های برقی، فرآیندی گران‌قیمت و پرهزینه است.

روش‌های متداول بازیافت لیتیوم اغلب شامل ذوب کردن یا حل کردن ضایعات خرد شده باتری در اسیدهای قوی است. این فرآیندها نه تنها مقادیر زیادی انرژی مصرف می‌کنند، بلکه مواد شیمیایی مضری تولید می‌کنند که برای استفاده مجدد نیاز به پردازش‌های پیچیده‌تری دارند. این محدودیت‌ها، نیاز به یک رویکرد نوین و پایدارتر را حیاتی کرده است.

💡 نوآوری «شارژ مجدد برای بازیافت» در دانشگاه رایس

اکنون، مهندسان دانشگاه «رایس» با ارائه یک روش ساده‌تر و پاک‌تر برای بازیابی لیتیوم، این معادله را تغییر داده‌اند. این پژوهشگران به جای سوزاندن یا استفاده از مواد شیمیایی خورنده، از همان فرآیند شارژ مجددی استفاده کردند که باتری را تغذیه می‌کند.

سیبانی لیزا بیسوال، مدیر دپارتمان مهندسی شیمی و بیومولکولی دانشگاه «رایس» و پژوهشگر ارشد این پروژه، در این باره می‌گوید: «ما یک سوال اساسی پرسیدیم: «اگر شارژ باتری، لیتیوم را از کاتد بیرون می‌کشد، چرا از همان واکنش برای بازیافت استفاده نکنیم؟» با ترکیب این واکنش شیمیایی با یک راکتور فشرده، می‌توانیم لیتیوم را به‌طور تمیز جدا کنیم و دقیقاً همان محصولی که تولیدکنندگان نیاز دارند را بسازیم.»

جزئیات فرآیند الکتروشیمیایی جدید

این فرآیند نوآورانه در یک راکتور الکتروشیمیایی کوچک انجام می‌شود که تنها به آب، برق و ضایعات باتری نیاز دارد. در این سیستم، همانطور که ماده کاتد مصرف شده «شارژ» می‌شود، یون‌های لیتیوم از طریق یک غشای نازک به جریانی از آب منتقل می‌شوند.

در آب، یون‌های لیتیوم با یون‌های هیدروکسید که از تجزیه مولکول‌های آب ایجاد شده‌اند، برخورد می‌کنند. ترکیب این دو، منجر به تشکیل هیدروکسید لیتیوم با خلوص بالا می‌شود، بدون نیاز به اسیدهای قوی یا مواد شیمیایی پیچیده.

📊 کارایی بی‌سابقه و محصول با خلوص بالا

نتایج آزمایش‌ها، کارایی چشمگیر این روش را در مقایسه با روش‌های سنتی تأیید می‌کند. این فرآیند نه تنها از نظر انرژی کارآمد است، بلکه محصول نهایی با کیفیتی بی‌نظیر تولید می‌کند:

• مصرف انرژی پایین: فقط ۱۰۳ کیلوژول انرژی به ازای هر کیلوگرم ضایعات مصرف شد که حدود ۱۰ برابر کمتر از روش‌های سنتی بازیافت مبتنی بر اسید است.
• خلوص بالا: هیدروکسید لیتیوم تولید شده بیش از ۹۹ درصد خالص بود، به اندازه‌ای که می‌توان به‌طور مستقیم در تولید باتری‌های جدید از آن استفاده کرد.
• دوام و بازیابی بالا: این سیستم تقریباً ۹۰ درصد لیتیوم را در طول ۱۰۰۰ ساعت کار مداوم بازیابی کرد.

هاوتیان وانگ، دانشیار مهندسی شیمی و بیومولکولی و یکی از پژوهشگران، تأکید کرد که این پیشرفت می‌تواند بازیافت باتری را پاک‌تر و ارزان‌تر سازد. تولید مستقیم هیدروکسید لیتیوم به معنای کاهش مراحل، ضایعات کمتر و ایجاد یک زنجیره تأمین قوی‌تر است.

کاربرد گسترده و گام‌های آتی

این گروه تحقیقاتی همچنین نشان داد که فرآیند ابداعی آن‌ها بر روی انواع مختلف باتری‌ها، از جمله فسفات آهن لیتیوم و انواع نیکل-منگنز-کبالت، کارایی دارد. آن‌ها حتی توانستند الکترودهای کامل باتری را مستقیماً از فویل آلومینیومی پردازش کنند، که نشان‌دهنده پتانسیل بالای این سیستم برای ادغام در خطوط بازیافت خودکار صنعتی است.

با وجود موفقیت در استخراج پاک‌تر و ساده‌تر لیتیوم، چالش بعدی که پژوهشگران بر آن تمرکز دارند، تغلیظ و تبلور کارآمد هیدروکسید لیتیوم است. حل این مشکل نهایی می‌تواند بازیافت باتری را به یک فرآیند کاملاً پایدار تبدیل کند.