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

दुनिया जीवाश्म ईंधन पर निर्भरता कम करने के लिए इलेक्ट्रिक वाहनों और बड़े पैमाने पर ऊर्जा भंडारण की ओर बढ़ रही है, और इस संक्रमण के केंद्र में लिथियम-आयन बैटरी है। उपलब्ध विभिन्न प्रकारों में से, एक विशिष्ट प्रकार, जिसे लिथियम आयरन फॉस्फेट के रूप में जाना जाता है, इन अनुप्रयोगों के लिए पसंदीदा बन गया है क्योंकि यह सुरक्षित, किफायती और लंबे समय तक चलने वाला है। हालाँकि, किसी भी मशीन की तरह, ये बैटरियां अंततः घिस जाती हैं। कुछ वर्षों की सेवा के बाद, इनके भीतर की सामग्रियां खराब हो जाती हैं, जिससे चार्ज रखने की इनकी क्षमता कम हो जाती है। जब इन लाखों बैटरियों में से कई अपने जीवन के अंत में पहुँचती हैं, तो वे एक दोहरी चुनौती पेश करती हैं: लिथियम और आयरन जैसे मूल्यवान संसाधनों की भारी बर्बादी, और यदि उन्हें सही ढंग से नहीं संभाला गया तो एक संभावित पर्यावरणीय खतरा।

पारंपरिक रूप से, इन बैटरियों को रीसायकल करना एक कठिन और गंदा काम रहा है। कुछ विधियों में बैटरियों को अत्यधिक उच्च तापमान पर पिघलाना शामिल है, जिसमें भारी मात्रा में ऊर्जा खर्च होती है और जहरीले धुएं निकलते हैं। अन्य विधियाँ धातुओं को अलग करने के लिए उन्हें मजबूत एसिड में भिगोने पर निर्भर करती हैं, एक ऐसी प्रक्रिया जो प्रदूषित अपशिष्ट जल की विशाल मात्रा उत्पन्न करती है। एक नया दृष्टिकोण, जिसे 'डायरेक्ट रिजनरेशन' (प्रत्यक्ष पुनर्जीवन) कहा जाता है, क्षतिग्रस्त बैटरी सामग्री को फिर से उपयोग करने योग्य बनाने के लिए उसे ठीक करने का प्रयास करता है, ठीक वैसे ही जैसे कैनवास को नया बनाने के लिए उसे पिघलाने के बजाय एक पुरानी पेंटिंग को बहाल किया जाता है। हालांकि यह आशाजनक है, लेकिन यह विधि अत्यधिक ऊर्जा का उपयोग किए बिना या अशुद्धियों को पीछे छोड़े बिना, जो सामग्री के प्रदर्शन को खराब कर सकती हैं, कुशलतापूर्वक काम करने में संघर्ष करती रही है।

जिलिन जियानज़ू यूनिवर्सिटी और नॉर्थईस्ट इलेक्ट्रिक पावर यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने इस समस्या से निपटने का एक नया तरीका विकसित किया है, जो खर्च हो चुकी लिथियम आयरन फॉस्फेट बैटरियों को बहाल करने के लिए एक स्वच्छ और अधिक प्रभावी मार्ग प्रदान करता है। उनका कार्य एक विशिष्ट रासायनिक तकनीक पर केंद्रित है जो बैटरी की आंतरिक संरचना की मरम्मत करती है और साथ ही इसमें उन गायब सामग्रियों को वापस जोड़ देती है जिनकी इसे कार्य करने के लिए आवश्यकता होती है। मैंगनीज डाइऑक्साइड नामक एक सामान्य, सस्ते खनिज को उत्प्रेरक (कैटलिस्ट) के रूप में उपयोग करके, उन्होंने एक जल-आधारित समाधान में बैटरी सामग्री की मरम्मत करने की प्रक्रिया बनाई, जिसके बाद एक हल्का गर्म करने का चरण आता है। इस विधि ने सफलतापूर्वक खराब, अनुपयोगी बैटरी पाउडर को एक उच्च गुणवत्ता वाली सामग्री में बदल दिया जो लगभग नए बैटरी घटकों के समान प्रदर्शन करती है।

टीम ने इलेक्ट्रिक वाहनों से सेवानिवृत्त हुई बैटरी सामग्री से शुरुआत की। वह पुराना पदार्थ खराब स्थिति में था; इसमें लिथियम की काफी कमी हो गई थी, और इसकी आंतरिक क्रिस्टल संरचना दोषों और अशुद्धियों से भरी थी। इसे ठीक करने के लिए, शोधकर्ताओं ने पुराने पाउडर को ताजे लिथियम के स्रोत, एक ऐसे पदार्थ के साथ मिलाया जो आयरन को उसकी सक्रिय अवस्था में वापस लाने में मदद करे, और थोड़ी मात्रा में मैंगनीज डाइऑक्साइड मिलाया। उन्होंने इस मिश्रण को पानी के साथ एक सीलबंद कंटेनर में रखा और दबाव के तहत गर्म किया। इस हाइड्रोथर्मल प्रक्रिया ने रसायनों को आपस में प्रतिक्रिया करने और सामग्री की संरचना को पुनर्गठित करने की अनुमति दी। मैंगनीज डाइऑक्साइड ने एक सहायक के रूप में कार्य किया, जिसने उन रासायनिक प्रतिक्रियाओं को तेज किया जो अन्यथा बहुत धीमी या कठिन थीं, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि आयरन और लिथियम परमाणु क्रिस्टल लैटिस के भीतर अपनी सही जगहों पर वापस व्यवस्थित हो सकें।

जल-आधारित उपचार के बाद, शोधकर्ताओं ने पाउडर को सुखाया और कई घंटों के लिए एक भट्टी में गर्म किया। यह अंतिम चरण क्रिस्टल संरचना की किसी भी शेष खुरदरापन को सुचारू बनाता है और सुनिश्चित करता है कि कण अच्छी तरह से बिखरे हुए हों। परिणाम एक पुनर्जीवित सामग्री थी जो एक प्राचीन बैटरी कैथोड की तरह दिखती और व्यवहार करती थी। परीक्षण में, बहाल की गई सामग्री ने उच्च क्षमता प्रदर्शित की, जिसका अर्थ है कि यह ऊर्जा की एक बड़ी मात्रा संग्रहीत कर सकती है। इसने सैकड़ों चार्ज और डिस्चार्ज चक्रों के दौरान अच्छा प्रदर्शन किया, बिना किसी महत्वपूर्ण नुकसान के अपनी मजबूती बनाए रखी। महत्वपूर्ण रूप से, इस सामग्री ने बहुत कम प्रतिरोध के साथ बिजली को प्रवाहित होने दिया, जो बैटरी के तेजी से चार्ज होने और भारी उपयोग के दौरान इसके बेहतर कार्य करने का एक प्रमुख कारक है। शोधकर्ताओं ने पाया कि मैंगनीज डाइऑक्साइड की मात्रा महत्वपूर्ण थी; बहुत कम उपयोग करने से सामग्री आंशिक रूप से टूटी हुई रह जाती थी, जबकि बहुत अधिक उपयोग करने से आयनों के मार्ग को अवरुद्ध करके नई समस्याएं पैदा हो जाती थीं। उन्होंने जो इष्टतम मात्रा खोजी, वह बहुत कम थी, जो प्रतिक्रिया को चलाने के लिए पर्याप्त थी बिना पीछे कोई हानिकारक अवशेष छोड़े।

यह कार्य यह प्रदर्शित करता है कि बैटरी सामग्री को इस तरह से रीसायकल करना संभव है जो पर्यावरण के अनुकूल और आर्थिक रूप से व्यवहार्य दोनों हो। स्मेल्टिंग (पिघलाने) की अत्यधिक गर्मी और एसिड वॉशिंग के जहरीले रसायनों से बचकर, यह नई विधि ऊर्जा खपत और प्रदूषण को कम करती है। मैंगनीज डाइऑक्साइड जैसे पुनर्चक्रण योग्य उत्प्रेरक का उपयोग लागत और पर्यावरणीय पदचिह्न को और कम करता है, क्योंकि उत्प्रेरक को पुनः प्राप्त किया जा सकता है और उपयोग किया जा सकता है। यह अध्ययन पुष्टि करता है कि सही रसायन विज्ञान और प्रक्रिया नियंत्रण के साथ, सेवानिवृत्त बैटरियों के भीतर बंद मूल्यवान संसाधनों को पूरी तरह से पुनः प्राप्त किया जा सकता है और बाजार में वापस लाया जा सकता है, जो इलेक्ट्रिक वाहन उद्योग के लिए एक वास्तव में टिकाऊ चक्र का समर्थन करता है।