MnO₂ catalyzed hydrothermal regeneration of spent LiFePO₄ cathode materials for sustainable lithium-ion battery recycling

يتجه العالم نحو المركبات الكهربائية وتخزين الطاقة على نطاق واسع لتقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري، وفي قلب هذا التحول تكمن بطارية الليثيوم أيون. ومن بين الأنواع المختلفة المتاحة، أصبح نوع محدد، يُعرف باسم فوسفات حديد الليثيوم، مفضلاً لهذه التطبيقات لأنه آمن، وبأسعار معقولة، وطويل الأمد. ومع ذلك، مثل أي آلة، فإن هذه البطاريات تتآكل في النهاية. فبعد بضع سنوات من الخدمة، تتحلل المواد الموجودة بداخلها، وتفقد قدرتها على الاحتفاظ بالشحنة. وعندما تصل الملايين من هذه البطاريات إلى نهاية عمرها الافتراضي، فإنها تشكل تحدياً مزدوجاً: هدراً هائلاً للموارد القيمة مثل الليثيوم والحديد، وخطراً بيئياً محتملاً إذا لم يتم التعامل معها بشكل صحيح.

تقليدياً، كانت إعادة تدوير هذه البطاريات عملية صعبة وملوثة. تعتمد بعض الطرق على صهر البطاريات في درجات حرارة عالية جداً، مما يستهلك كميات هائلة من الطاقة ويطلق أبخرة سامة. وتعتمد طرق أخرى على نقع المواد في أحماض قوية لفصل المعادن، وهي عملية تولد كميات ضخمة من مياه الصرف الملوثة. أما النهج الأحدث، والذي يسمى "التجديد المباشر"، فيحاول ببساء إصلاح مادة البطارية التالفة حتى يمكن استخدامها مرة أخرى، تماماً مثل ترميم لوحة قديمة بدلاً من صهر اللوحة لصنع واحدة جديدة. ورغم أن هذا الأسلوب واعد، إلا أنه واجه صعوبة في العمل بكفاءة دون استخدام طاقة مفرطة أو ترك شوائب تفسد أداء المادة.

لقد طور باحثون في جامعة جيلين جيانزو وجامعة شمال شرق الطاقة الكهربائية طريقة جديدة لمعالجة هذه المشكلة، مقدمين مساراً أنظف وأكثر فعالية لاستعادة بطاريات فوسفات حديد الليثيوم المستهلكة. ويركز عملهم على حيلة كيميائية محددة تعمل على إصلاح البنية الداخلية للبطارية مع إضافة المكونات المفقودة التي تحتاجها لتعمل. ومن خلال استخدام معدن شائع وغير مكلف وهو ثاني أكسيد المنغنيز كعامل حفاز، ابتكروا عملية تقوم بإصلاح مادة البطارية في محلول مائي، يتبعها خطوة تسخين لطيفة. نجحت هذه الطريقة في تحويل مسحوق البطارية المتدهور وغير القابل للاستخدام إلى مادة عالية الجودة تعمل بشكل يقارب المكونات الجديدة تماماً.

بدأ الفريق بمادة بطارية كانت قد تقاعدت من المركبات الكهربائية. كانت هذه المادة القديمة في حالة سيئة؛ فقد فقدت كمية كبيرة من الليثيوم، وكانت بنيتها البلورية الداخلية مليئة بالعيوب والشوائب. ولإصلاح ذلك، خلط الباحثون المسحوق القديم مع مصدر لليثيوم الطازج، ومادة تساعد على إعادة الحديد إلى حالته النشطة، وكمية صغيرة من ثاني أكسيد المنغنيز. وضعوا هذا الخليط في حاوية مغلقة مع الماء وسخّنوه تحت الضغط. سمحت هذه العملية المائية الحرارية (hydrothermal process) للمواد الكيميائية بالتفاعل وإعادة تنظيم بنية المادة. عمل ثاني أكسيد المنغنيز كـ "مساعد"، حيث سرّع التفاعلات الكيميائية التي كانت ستكون بطيئة أو صعبة الحدوث بمفردها، مما ضمن استقرار ذرات الحديد والليثيوم في أماكنها الصحيحة داخل الشبكة البلورية.

بعد المعالجة المائية، قام الباحثون بتجفيف المسحوق وتسخينه في فرن لعدة ساعات. هذه الخطوة النهائية قامت بتنعيم أي خشونة متبقية في البنية البلورية وضمنت توزيع الجسيمات بشكل جيد. وكانت النتيجة مادة متجددة تبدو وتتصرف مثل مهبط (cathode) البطارية الأصلي. وعند اختبار المادة المستعادة، أظهرت بنية بلورية شبه مثالية، مع نسبة من الليثيوم إلى الحديد تطابق تماماً مادة البطارية التجارية الجديدة تقريباً. وكانت الجسيمات موحدة الحجم وخالية من التكتل والتلف الذي عانت منه المادة الأصلية.

كان أداء هذه المادة المتجددة مثيراً للإعجاب. ففي الاختبارات المختبرية، قدم مسحوق البطارية المستعاد سعة عالية، مما يعني أنه يمكنه تخزين كمية كبيرة من الطاقة. كما صمد جيداً عبر مئات دورات الشحن والتفريغ، محافظاً على قوته دون فقدان كبير. والأهم من ذلك، أن المادة سمحت للكهرباء بالتدفق من خلالها بأقل قدر من المقاومة، وهو عامل رئيسي في سرعة شحن البطارية ومدى جودة عملها تحت الاستخدام المكثف. وجد الباحثون أن كمية ثاني أكسيد المنغنيز المستخدمة كانت حاسمة؛ فاستخدام كمية قليلة جداً ترك المادة مكسورة جزئياً، بينما أدى استخدام كمية كبيرة جداً إلى خلق مشاكل جديدة عبر سد المسارات أمام حركة الأيونات. أما الكمية المثلى التي اكتشفوها فكانت كمية صغيرة جداً، كافية فقط لتحفيز التفاعل دون ترك بقايا ضارة.

يبرهن هذا العمل على إمكانية إعادة تدوير مواد البطاريات بطريقة صديقة للبيئة ومجدية اقتصادياً. فمن خلال تجنب الحرارة الشديدة للصهر والكيمياويات السامة لغسيل الأحماض، تقلل هذه الطديدة الجديدة من استهلاك الطاقة والتلوث. كما أن استخدام عامل حفاز يمكن إعادة تدويره مثل ثاني أكسيد المنغنيز يقلل من التكلفة والبصمة البيئية، حيث يمكن استعادة العامل الحفاز واستخدامه مرة أخرى. وتؤكد الدراسة أنه مع الجمع الصحيح بين الكيمياء والتحكم في العمليات، يمكن استعادة الموارد القيمة المحبوسة داخل البطاريات المتقاعدة بالكامل وإعادتها إلى السوق، مما يدعم دورة مستدامة حقاً لصناعة المركبات الكهربائية.