بازیافت کاتد باتری لیتیوم یون به روشی ساده و کم‌هزینه
باتری لیتیوم یون به دلیل ویژگی‌های کم نظیر مانند چگالی انرژی، بازدهی و طول عمر بالا (بیش از ۱۰۰۰چرخه) تقریباً به طور کامل بازار باتری‌ها را در بخش‌های مختلف مانند لوازم الکترونیکی قابل حمل و وسایل نقلیه برقی در اختیار دارد. تولید جهانی باتری لیتیوم یون تقریباً در دو دهه گذشته هشت برابر شده و در سال 2018 مقداری بالغ بر ۱۵۵ گیگاوات ساعت تولید داشته است. در این سال حدود ۴۰٪ از لیتیوم و ۵۳٪ کبالت تولید شده جهان در بخش ساخت باتری های لیتیوم یون مصرف شد.مصرف زمانی که زیاد شود بازیافت اهمیت بیشتری می‌یابد. اما بازیافت کاتد چگونه ممکن است ؟
بازیافت کاتد باتری
به تازگی محققان دانشگاه واشنگتن بازسازی ماده‌ی کاتدی لیتیوم کبالت اکساید (LCO) را به صورت مستقیم انجام می‌دهند که اصول آن به روش الکتروشیمیایی است. در واقع کاتد به نوعی تعمیر شده و برای استفاده مجدد در باتری آماده می شود.
اهمیت بازیافت کاتد
با گسترش سریع بازار مصرف باتری‌های لیتیوم یون، مقدار ضایعات این حوزه و باتری‌های از رده خارج نیز بیشتر می شود. به طور مثال چین پیش بینی می کند که در سال ۲۰۲۰ حدود 500 هزار تن ضایعات باتری لیتیوم یون تولید کند که این مقدار تقریبا دو برابر سال 2018 می‌باشد. باتری‌های لیتیوم یون فرسوده دارای مقادیر زیادی از فلزات ارزشمند مانند لیتیوم، کبالت، منگنز، مس و آلومینیوم هستند.
منابع موجود لیتیوم و کبالت جهان با محدودیت مواجه است و تجدید پذیر نمی‌باشند (در مورد منابع لیتیوم تخمین در حدود ۴۰ میلیون تن است) و در آینده باعث افزایش قیمت ماده لیتیوم کبالت اکساید و باتری‌های لیتیوم یونی می شود که توسعه این صنعت را با مشکل جدی مواجه خواهد کرد. همچنین فرایند استخراج مواد اولیه و تولید باتری، آلودگی های زیادی برای محیط زیست ایجاد می کند. بنابراین بازیافت و استفاده مجدد از باتری های فرسوده ضروری به نظر می رسد.
روش‌های بازیافت کاتد
امروزه کمتر از٪۵ از باتری های فرسوده بازیافت می‌شوند و اخیرا پژوهش‌ها در این زمینه افزایش یافته است. بازیابی و بازیافت مواد را می‌توان به دو روش انجام داد.
بازیافت شیمیایی
روش اول بازیافت شیمیایی است. در این روش با فرایندهای شیمیایی، عناصر با ارزش کاتد، استخراج و فرآوری میشود و دوباره در خطوط تولید، تبدیل به کاتد باتری می‌گردد. از معایب این روش هزینه تمام شده بالا و تولید پساب های سمی و آلودگی محیط زیست است.
بازیافت مستقیم
در روش دیگر بازسازی ماده‌ی کاتدی لیتیوم کبالت اکساید به صورت مستقیم انجام میشود.
- ابتدا به کمک محلول Li2SO4 مقداری لیتیوم به روش الکتروشیمیایی به کاتد تزریق میشود.
- سپس با کمک عملیات حرارتی، ساختارهای کریستالی ماده ی کاتدی ترمیم خواهد شد.
طبق این روش به جای بازیابی و استخراج عناصر، ترکیب کامل لیتیوم کبالت اکساید، مستقیما بازسازی میشود.
- این فرایند شامل رسوب گذاری الکتریکی است . در آن یون‌های لیتیوم بر روی کاتدهای کار کرده و معیوب جذب می‌شوند. با این شیوه می‌توان مقدار اضافی یون لیتیوم به الکترود کار کرده اضافه نمود و کاتد به حالت اولیه‌ی خود تبدیل شود.
- بعد از تزریق لیتیوم به ماده ی کاتدی، عملیات حرارتی موجب می‌گردد که کیفیت ماده به حالت اولیه‌ی خود نزدیک شده تا در هنگام استفاده‌ی دوباره از ماده‌ی کاتدی، بامشکل روبه‌رو نشویم.
شکل زیر مقایسه‌ی دو ماده‌ی کاتدی را در حالت بعد از استفاده و حالت اولیه نشان می‌دهد. ملاحظه میشود که ساختارهای ماده ی کاتدی مقداری دچار تغییر گشته که عملیات حرارتی قادر به ترمیم آنها می‌باشد.
نتایج بازیافت
محققان با مقایسه‌ی نتایج دریافتند که تنها مقدار اندکی از ظرفیت بعد از بازیافت از بین می‌رود که باعث میشود صنایع این حوزه بتوانند با روشی ارزان‌تر و ساده، بازیافت باتری‌های لیتیوم یون را انجام دهند. شکل زیر این مقایسه را انجام داده است. مشاهده می‌کنیم که ظرفیت بعد از بازیافت بسیار به حالت اولیه نزدیک است.
سلام
روش بمظر ساده و خوبی میاد ولی خیلی مسایل مانده ایا بطور مستقیم میشود کاتد رو بعد از عملیات حرارتی توی باطری کار گذاشت و استفاده کرد
سلام خدمت شما.
اصولا کار بازیافت باتری ها باید کاری سر راست و سریع باشد تا از لحاظ اقتصادی، مقرون به صرفه گردد.
بعد از بازیافت، به دلیل صد در صد نبودن تمامی فرایندها، کیفیت ماده ی بازیافت شده ی باتری لیتیوم یون، همانند ماده ی اولیه نمی گردد اما میتوانیم امیدوار باشیم که کیفیت با حالت اولیه نزدیک شده است.
عملیات حرارتی به منظور اصلاح ساختار انجام می شود اما همان طور که اشاره شد این امکان وجود خواهد داشت که کیفیت ماده ی فعال، از حالت اولیه فاصله داشته باشد اما به طور تقریبی می توان گفت که عملیات حرارتی مرحله ی آخر بازیافت می باشد حتی اگر عملیات های بیشتری قبل از این مرحله مورد نیاز باشد.