تتمثل إحدى الصعوبات في إعادة التدوير في أن تكلفة المادة نفسها منخفضة ، وعملية إعادة التدوير ليست رخيصة. تأمل تقنية جديدة في تعزيز إعادة تدوير بطاريات الليثيوم عن طريق زيادة خفض التكاليف واستخدام مكونات صديقة للبيئة.

يمكن لتقنية معالجة جديدة إعادة مادة الكاثود المستخدمة إلى حالتها الأصلية ، مما يقلل من تكاليف إعادة التدوير. تم تطوير هذه التقنية بواسطة مهندسي النانو في جامعة كاليفورنيا ، سان دييغو ، وهي صديقة للبيئة أكثر من الأساليب المستخدمة حاليًا. تستخدم مواد خام صديقة للبيئة ، وتقلل من استهلاك الطاقة بنسبة 80 إلى 90 في المائة ، وتقلل من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري بنسبة 75 في المائة.

قام الباحثون بالتفصيل في عملهم في ورقة نشرت في 12 نوفمبر في الجول.

هذه التقنية مثالية بشكل خاص للكاثودات المصنوعة من فوسفات الحديد الليثيوم (LFP). بطاريات الكاثود LFP أرخص من بطاريات الليثيوم الأخرى لأنها لا تستخدم معادن ثمينة مثل الكوبالت أو النيكل. بطاريات LFP هي أيضًا أكثر متانة وأمانًا. تستخدم على نطاق واسع في الأدوات الكهربائية والحافلات الكهربائية وشبكات الطاقة. يستخدم طراز Tesla 3 أيضًا بطاريات LFP.

قال Zheng Chen ، أستاذ الهندسة النانوية في جامعة كاليفورنيا ، سان دييغو: “بالنظر إلى هذه المزايا ، ستتمتع بطاريات LFP بميزة تنافسية على بطاريات الليثيوم الأخرى في السوق”.

هل هناك اي مشكلة؟ “إعادة تدوير هذه البطاريات ليست فعالة من حيث التكلفة.” قال تشين: “إنها تواجه نفس المعضلة التي يواجهها البلاستيك – المادة نفسها رخيصة ، لكن طريقة إعادة تدويرها ليست رخيصة”.

يمكن لتقنيات إعادة التدوير الجديدة التي طورها تشين وفريقه أن تقلل من هذه التكاليف. تعمل هذه التقنية في درجات حرارة منخفضة (60 إلى 80 درجة مئوية) والضغط المحيط ، لذا فهي تستهلك كهرباء أقل من الطرق الأخرى. بالإضافة إلى ذلك ، فإن المواد الكيميائية التي تستخدمها ، مثل الليثيوم والنيتروجين والماء وحمض الستريك ، رخيصة الثمن وخفيفة.

قال بان شو ، المؤلف الرئيسي للدراسة وباحث ما بعد الدكتوراه في مختبر تشين: “تتم عملية إعادة التدوير بأكملها في ظل ظروف آمنة جدًا ، لذلك لا نحتاج إلى أي إجراءات أمان خاصة أو معدات خاصة”. هذا هو السبب في أن تكاليف إعادة تدوير البطاريات لدينا منخفضة. ”

أولاً ، أعاد الباحثون تدوير بطاريات LFP حتى فقدوا نصف سعتها التخزينية. ثم قاموا بتفكيك البطارية ، وجمعوا مسحوق الكاثود الخاص بها ، ونقعوها في محلول من أملاح الليثيوم وحمض الستريك. بعد ذلك ، قاموا بغسل المحلول بالماء وتركوا المسحوق يجف قبل تسخينه.

استخدم الباحثون المسحوق لصنع كاثودات جديدة ، والتي تم اختبارها في خلايا الأزرار وخلايا الأكياس. تمت استعادة أدائها الكهروكيميائي وتركيبها الكيميائي وهيكلها بالكامل إلى حالتها الأصلية.

مع استمرار إعادة تدوير البطارية ، يخضع الكاثود لتغييرين هيكليين مهمين يقللان من أدائه. الأول هو فقدان أيونات الليثيوم ، التي تشكل فراغات في بنية الكاثود. ثانيًا ، حدث تغيير هيكلي آخر عندما تم تبادل أيونات الحديد والليثيوم في التركيب البلوري. بمجرد حدوث ذلك ، لا يمكن للأيونات أن تعود بسهولة ، لذلك تتعطل أيونات الليثيوم ولا يمكنها الدوران عبر البطارية.

طريقة العلاج المقترحة في هذه الدراسة تغذي أولاً أيونات الليثيوم ، بحيث يمكن بسهولة تحويل أيونات الحديد وأيونات الليثيوم إلى مواضعها الأصلية ، وبالتالي استعادة بنية الكاثود. الخطوة الثانية هي استخدام حامض الستريك ، الذي يعمل كعامل اختزال للتبرع بالإلكترونات لمادة أخرى. ينقل الإلكترونات إلى أيونات الحديد ، مما يقلل شحنتها الموجبة. هذا يقلل من تنافر الإلكترون ويمنع أيونات الحديد من العودة إلى مواقعها الأصلية في التركيب البلوري ، بينما يطلق أيونات الليثيوم مرة أخرى في الدورة.

في حين أن استهلاك الطاقة الإجمالي لعملية إعادة التدوير منخفض ، يقول الباحثون إن هناك حاجة إلى مزيد من البحث حول الخدمات اللوجستية لجمع ونقل كميات كبيرة من البطاريات والتخلص منها.

“التحدي التالي هو معرفة كيفية تحسين هذه العمليات اللوجستية.” قال تشين: “سيؤدي هذا إلى تقريب تقنية إعادة التدوير لدينا من التطبيق الصناعي”.