Effect of element composition of cathode on the carbothermic reduction of spent lithium-ion electrode materials

يعتمد ملايين الأشخاص يومياً على بطاريات الليثيوم أيون لتشغيل هواتفهم وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وسياراتهم الكهربائية. وتعد هذه الأجهزة معجزات في الهندسة الحديثة، ولكن لها عمر افتراضي. فعندما تتوقف البطارية عن الاحتفاظ بالشحن، تصبح نفايات، لكنها تكون أيضاً كنزاً من المعادن القيمة مثل الليثيوم والنيكل والكوبالت. إن استعادة هذه المواد أمر بالغ الأهمية لمستقبل الطاقة النظيفة، حيث يقلل من الحاجة إلى التنقيب في مناجم جديدة ويمنع تراكم النفايات السامة. ومن الطرق الواعدة لإعادة تدوير هذه البطاريات هي تسخينها مع الكربون، وهي عملية تفكك مواد البطارية المعقدة إلى أشكال أبسط يمكن غسلها بسهء بالماء لاستخراج الليثيوم. ومع ذلك، ليست كل البطاريات مبنية بنفس الطريقة؛ فالتكوين الكيميائي للقطب الموجب للبطارية، أو "الكاثود"، يختلف بشكل كبير من نموذج لآخر، وقد تساءل العلماء لفترة طويلة عن كيفية تأثير هذه الاختلافات على عملية إعادة التدوير.

لقد شرع فريق من الباحثين من جامعة الصين للتعدين والتكنولوجيا وشركة "بي تشن" للتدوير المتقدم (Beichen Advanced Recycling Technology) في فهم كيفية تغيير المزيج المحدد من المعادن في كاثود البطارية لطريقة تفككها أثناء عملية التسخين هذه. وركزوا على ثلاثة أنواع شائعة من الكاثودات الغنية بالنيكل الموجودة في البطاريات المستهلكة: أحدها يحتوي على مزيج متوازن من النيكل والكوبالت والمنغنيز؛ وآخر يحتوي على كمية عالية جداً من النيكل وقليل جداً من المنغنيز؛ وثالث لا يحتوي تقريباً على أي منغنيز على الإطلاق. ومن خلال خلط مواد الكاثود المستهلكة هذه مع الغرافيت من القطب السالب للبطارية وتسخينها في بيئة محكومة، تمكن الباحثون من مراقبة التفاعلات الكيميائية أثناء حدواثها. وقد قاموا بقياس كيفية تغير كتلة العينة، والحرارة التي امتصتها أو أطلقتها، وسرعة حدوث التفاعلات. وقد سمح لهم ذلك برسم مسار دقيق للمواد التي اتخذتها أثناء تحولها من أجزاء البطارية الصلبة إلى معادن وأملاح قابلة للاسترداد.

وكشفت الدراسة أن تكوين الكاثود يعمل بمثد مثل "المفتاح الرئيسي" لعملية إعادة التدوير. ووجد الباحثون أن المادة ذات المحتوى الأعلى من النيكل والخالية تقريباً من المنغنيز تفككت بالطريقة الأكثر بساطة وقابلية للتنبؤ؛ حيث اتبع تفاعلها مساراً واحداً مستقراً، وتطلب مقداراً معتدلاً من الطاقة للبدء والحفاظ على مستوى تلك الطاقة طوال العملية. وفي المقابل، تصرفت المادة ذات المزيج المتوازن من المعادن مثل حدث معقد متعدد المراحل؛ فقد تطلبت دفعة أولية أكبر بكوة من الطاقة للبدء في التفكك، ومع تقدم التفاعل، تغيرت الخطوات التي اتخذتها، مما جعلها أكثر صعوبة في التنبؤ. أما المادة ذات المحتوى الأعلى من المنغنيز فكانت الأكثر عناداً على الإطلاق؛ إذ قاومت التفكك في البداية، وتطلبت أكبر قدر من الطاقة للتغلب على هيكلها المستقر، وتضمن تفاعلها شبكة متشابكة من الخطوات المتزامنة التي جعلت التحكم فيها هو الأصعب.

وتعود هذه الاختلافات إلى الطبيعة الجوهرية للمعادن المعنية. فقد أظهر البحث أن النيكل والكوبالت يسهل اختزالهما نسبياً، مما يعني أنه يمكن تجريدهما من الأكسجين وتحويلهما إلى أشكال أبسط بجهد أقل. أما المنغنيز، فهو أصعب بكثير في الاختزال ويميل إلى التمسك بهيكله، حيث يعمل كمثبت يجعل مادة البطارية بأكملها أصعب في التفكك. وعندما زاد الباحثون من كمية النيكل والكوبالت مع إزالة المنغنيز، انخفضت الطاقة الإجمالية المطلوبة لإعادة تدوير البطارية، وأصبحت العملية أكثر سلاسة. وعلى العكس من ذلك، عندما كان المنغنيز موجوداً بكميات أعلى، فإنه عزز الهيكل الداخلي للبطارية، مما أجبر عملية إعادة التدوير على محاربة هذا الاستقرار، وهو ما أدى إلى إبطاء العملية وجعل مسار التفاعل أكثر تعقيداً.

ولرؤية ما إذا كانت هذه النتائج ستصمد في إطار عملي، أخذ الفريق المواد المسخنة وغسلها بالماء لمعرفة مقدار الليثيوم الذي يمكن استرداده. واكتشفوا أن درجة حرارة عملية التسخين كانت حاسمة؛ فإذا كانت درجة الحرارة منخفضة جداً، فلن تتفكك مواد البطارية بما يكفي لتحرير الليثيوم. وإذا كانت مرتفعة جداً، ستبدأ المواد في التكتل، مما يحبس الليثيوم بداخلها. وقد وُجدت "النقطة المثالية" لجميع أنواع البطاريات الثلاثة عند 70ps 700 درجة مئوية. عند هذه الدرجة، تمكن الباحثون من استخراج أعلى كمية من الليثيوم من كل مادة. وقد تباينت النتائج حسب التكوين: حيث أعطت المادة الخالية من المنغنيز أكبر كمية من الليثيوم، تلاها المزيج عالي النيكل، وأخيراً المزيج المتوازن. وقد أكد هذا أن المادة التي يسهل تفكيكها كيميائياً، يمكن استعادة الليثيوم منها بكفاءة أكبر.

في نهاية المطاف، يوفر هذا العمل دليلاً واضحاً لكيفية التعامل مع أنواع البطاريات المختلفة. فهو يوضح أنه بينما تعد إعادة التدوير ممكنة لجميع هذه المواد، فإن وصفة النجاح تتغير اعتماداً على ما يوجد بداخلها. فالبطاريات التي تحتوي على كمية أقل من المنغنيز أسهل في المعالجة وتؤدي نتائج أفضل، بينما تتطلب تلك التي تحتوي على المزيد من المنغنيز تحكماً أكثر دقة ومدخلات طاقة أعلى. ومن خلال فهم هذه السلوكيات الكيميائية المحددة، يمكن للمهندسين تصميم محطات إعادة تدوير أفضل تقوم بتعديل طرق التسخين والمعالجة بناءً على النوع الدقيق للبطارية التي يعالجونها. ويضمن هذا الدقة استعادة الموارد القيمة داخل بطارياتنا القديمة بكفاءة، وتحويل النفايات مرة أخرى إلى المواد الخام اللازمة للجيل القادم من تكنولوجيا الطاقة النظيفة.