Effect of element composition of cathode on the carbothermic reduction of spent lithium-ion electrode materials
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि प्रयुक्त निकल-समृद्ध कैथोड सामग्रियों (NCM523, NCM811, और NC101) का तत्व संयोजन उनके कार्बोथर्मिक रिडक्शन गतिकी और ऊष्मागतिक स्थिरता को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करता है, जिसमें उच्च निकल और कोबाल्ट सामग्री के कारण गिब्स मुक्त ऊर्जा में कमी, प्रतिक्रिया जटिलता में कमी, और 700°C पर 91.31% तक बेहतर लिथियम लीचिंग दक्षता आती है।
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हर दिन, करोड़ों लोग अपने फोन, लैपटॉप और इलेक्ट्रिक कारों को चलाने के लिए लिथियम-आयन बैटरी पर निर्भर रहते हैं। ये उपकरण आधुनिक इंजीनियरिंग के चमत्कार हैं, लेकिन इनका एक जीवनकाल होता है। जब एक बैटरी चार्ज पकड़ना बंद कर देती है, तो वह कचरा बन जाती है, फिर भी यह लिथियम, निकल और कोबाल्ट जैसी मूल्यवान धातुओं का एक खजाना होती है। इन सामग्रियों को पुनः प्राप्त करना स्वच्छ ऊर्जा के भविष्य के लिए महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह नई खदानों को खोदने की आवश्यकता को कम करता है और जहरीले कचरे को जमा होने से रोकता है। इन बैटरियों को रीसायकल करने का एक आशाजनक तरीका उन्हें कार्बन के साथ गर्म करना है, एक ऐसी प्रक्रिया जो जटिल बैटरी सामग्रियों को सरल रूपों में तोड़ देती है ताकि लिथium निकालने के लिए उन्हें पानी से आसानी से धोया जा सके। हालांकि, सभी बैटरियां एक ही तरह से नहीं बनी होती हैं। बैटरी के धनात्मक इलेक्ट्रोड, या कैथोड का रासायनिक मेकअप एक मॉडल से दूसरे मॉडल में काफी भिन्न होता है, और वैज्ञानिक लंबे समय से यह जानना चाहते थे कि ये अंतर रीसाइक्लिंग प्रक्रिया को कैसे प्रभावित करते हैं।
चीन यूनिवर्सिटी ऑफ माइनिंग एंड टेक्नोलॉजी और बेइचेन एडवांस्ड रीसाइक्लिंग टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम यह समझने के लिए आगे बढ़ी कि बैटरी के कैथोड में धातुओं का विशिष्ट मिश्रण इस हीटिंग प्रक्रिया के दौरान इसके टूटने के तरीके को वास्तव में कैसे बदलता है। उन्होंने उपयोग की गई बैटरियों में पाए जाने वाले तीन सामान्य प्रकार के निकल-समृद्ध कैथोड पर ध्यान केंद्रित किया: एक जिसमें निकल, कोबाल्ट और मैंगनीज का संतुलित मिश्रण था; एक जिसमें निकल की मात्रा बहुत अधिक और मैंगनीज बहुत कम था; और तीसरा जिसमें बिल्कुल भी मैंगनीज नहीं था। इन उपयोग की गई कैथोड सामग्रियों को बैटरी के ऋणात्मक इलेक्ट्रोड के ग्रेफाइट के साथ मिलाने और उन्हें एक नियंत्रित वातावरण में गर्म करने के बाद, शोधकर्ता रासायनिक प्रतिक्रियाओं को होते हुए देख सके। उन्होंने नमूने के द्रव्यमान में होने वाले परिवर्तन, अवशोषित या उत्सर्जित ऊष्मा और प्रतिक्रिया की गति को मापा। इसने उन्हें यह मानचित्र बनाने की अनुमति दी कि सामग्रियां ठोस बैटरी भागों से पुनः प्राप्त होने योग्य धातुओं और लवणों में बदलने के लिए किस सटीक पथ का अनुसरण करती हैं।
अध्ययन से पता चला कि कैथोड की संरचना रीसाइक्लिंग प्रक्रिया के लिए एक 'मास्टर स्विच' की तरह कार्य करती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि उच्चतम निकल सामग्री और लगभग शून्य मैंगनीज वाली सामग्री सबसे सरल और अनुमानित तरीके से टूट गई। इसकी प्रतिक्रिया एक एकल, स्थिर पथ का अनुसरण करती थी, जिसे शुरू करने के लिए मध्यम ऊर्जा की आवश्यकता थी और इसने पूरी प्रक्रिया के दौरान उस ऊर्जा स्तर को बनाए रखा। इसके विपरीत, धातुओं के संतुलित मिश्रण वाली सामग्री एक जटिल, बहु-चरणीय घटना की तरह व्यवहार करती थी। इसे टूटने के लिए शुरुआत में बहुत अधिक ऊर्जा के झटके की आवश्यकता थी, और जैसे-जैसे प्रतिक्रिया आगे बढ़ी, इसके चरण बदलते गए, जिससे यह अधिक कठिन और अप्रत्याशित हो गया। सबसे अधिक मैंगनीज वाली सामग्री सबसे अधिक जिद्दी थी; इसने शुरुआत में टूटने का विरोध किया, इसकी स्थिर संरचना को पार करने के लिए सबसे अधिक ऊर्जा की मांग की, और इसकी प्रतिक्रिया में एक जटिल जाल था जिसने इसे नियंत्रित करना सबसे कठिन बना दिया।
ये अंतर शामिल धातुओं की मौलिक प्रकृति में निहित हैं। शोध ने दिखाया कि निकल और कोबाल्ट अपेक्षाकृत आसानी से 'रिड्यूस' (अपचयन) किए जा सकते हैं, जिसका अर्थ है कि उन्हें कम प्रयास के साथ ऑक्सीजन से अलग किया जा सकता है और सरल रूपों में बदला जा सकता है। हालांकि, मैंगनीज को अपचयन करना बहुत कठिन है और यह अपनी संरचना को थामे रखने की प्रवृत्ति रखता है, जो एक स्टेबलाइजर (स्थिरीकरण कारक) के रूप में कार्य करता है जो पूरे बैटरी पदार्थ को तोड़ना कठिन बना देता है। जब शोधकर्ताओं ने मैंगनीज को हटाकर निकल और कोबाल्ट की मात्रा बढ़ाई, तो रीसायकल करने के लिए आवश्यक कुल ऊर्जा कम हो गई, और प्रक्रिया सुचारू हो गई। इसके विपरीत, जब मैंगनीज की मात्रा अधिक थी, तो इसने बैटरी की आंतरिक संरचना को मजबूत कर दिया, जिससे रीसाइक्लिंग प्रक्रिया को उस स्थिरता के विरुद्ध लड़ना पड़ा, जिसने सब कुछ धीमा कर दिया और प्रतिक्रिया पथ को अधिक जटिल बना दिया।
यह देखने के लिए कि क्या ये निष्कर्ष एक व्यावहारिक सेटिंग में टिके रहते हैं, टीम ने गर्म की गई सामग्रियों को पानी से धोया ताकि वे देख सकें कि कितना लिथियम प्राप्त किया जा सकता है। उन्होंने पाया कि हीटिंग प्रक्रिया का तापमान अत्यंत महत्वपूर्ण था। यदि तापमान बहुत कम था, तो बैटरी सामग्रियां लिथियम को मुक्त करने के लिए पर्याप्त रूप से नहीं टूटीं। यदि यह बहुत अधिक था, तो सामग्रियां आपस में जुड़कर गुच्छे बनाने लगीं, जिससे लिथियम अंदर ही फंस गया। तीनों प्रकार की बैटरियों के लिए 'स्वीट स्पॉट' (इष्टतम तापमान) 700 डिग्री सेल्सियस पाया गया। इस तापमान पर, शोधकर्ता प्रत्येक सामग्री से उच्चतम मात्रा में लिथियम निकालने में सक्षम थे। परिणाम संरचना के अनुसार भिन्न थे: मैंगनीज-मुक्त सामग्री ने सबसे अधिक लिथियम दिया, उसके बाद उच्च-निकल मिश्रण, और अंत में संतुलित मिश्रण। इसने पुष्टि की कि सामग्री रासायनिक रूप से टूटने में जितनी आसान होगी, उतना ही कुशलता से मूल्यवान लिथियम प्राप्त किया जा सकेगा।
अंततः, यह कार्य विभिन्न प्रकार की उपयोग की गई बैटरियों को संभालने के लिए एक स्पष्ट मार्गदर्शिका प्रदान करता है। यह दिखाता है कि जबकि इन सभी सामग्रियों के लिए रीसाइक्लिंग संभव है, सफलता की विधि इस बात पर निर्भर करती है कि उनके भीतर क्या है। कम मैंगनीज वाली बैटरियों को प्रोसेस करना आसान है और वे बेहतर परिणाम देती हैं, जबकि अधिक मैंगनीज वाली बैटरियों को अधिक सावधानीपूर्वक नियंत्रण और उच्च ऊर्जा इनपुट की आवश्यकता होती है। इन विशिष्ट रासायनिक व्यवहारों को समझकर, इंजीनियर बेहतर रीसाइक्लिंग प्लांट डिजाइन कर सकते हैं जो ठीक उसी प्रकार की बैटरी के आधार पर अपनी हीटिंग और प्रोसेसिंग विधियों को समायोजित कर सकें। यह सटीकता सुनिश्चित करती है कि हमारी पुरानी बैटरियों के भीतर मौजूद मूल्यवान संसाधनों को कुशलतापूर्वक पुनः प्राप्त किया जाए, जिससे कचरे को अगली पीढ़ी की स्वच्छ ऊर्जा तकनीक के लिए आवश्यक कच्चे माल में बदला जा सके।
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