باتری معدن، مایکروویو

پژوهشگران آزمایشگاه ملی ساندیا به جای اجازه دادن به باتری‌های لیتیوم یون قدیمی به عنوان ضایعات روی هم انباشته شوند، فرآیندی مبتنی بر مایکروویو را برای بازیابی و بازیافت کاتدهایشان توسعه داده‌اند و به طور بالقوه باتری‌های مصرف‌شده را به منبع جدیدی از مواد حیاتی تبدیل می‌کنند.

باتری‌های لیتیوم یون انرژی همه چیز را از تلفن‌ها و وسایل نقلیه الکتریکی گرفته تا ذخیره‌سازی انرژی متصل به شبکه و هدفون تامین می‌کنند، اما کاتدهای آنها – بخشی از باتری‌ها که با علامت مثبت مشخص شده‌اند – برای تولید گران قیمت هستند و به مواد معدنی از تعداد محدودی از کشورها از جمله لیتیوم و کبالت متکی هستند. برای مثال جمهوری دموکراتیک کنگو مسئول استخراج حدود 70 درصد کبالت جهان است.

روش جدید ساندیا بیش از بازیافت این کاتدها انجام می دهد: آنها را چرخه می کند و مواد باتری استفاده شده را به کاتدهای جدیدی تبدیل می کند که نیازهای فعلی صنعت را بهتر برآورده می کند و در عین حال از زمان کمتری استفاده می کند و نسبت به روش های معمولی با دمای بالا مقرون به صرفه تر است.

Claire Davis-Wheeler Chin، شیمیدان نانومواد در Sandia و مخترع این روش، می گوید: «کبالت یک ماده حیاتی برای تقریباً تمام لوازم الکترونیکی مصرفی است. “از آنجایی که تنها یک منبع اصلی کبالت وجود دارد، ناپدید شدن زنجیره تامین کبالت بسیار آسان است. ما تعداد زیادی باتری EV قدیمی خواهیم داشت که یا به محل دفن زباله می روند یا می توانیم برای توسعه منابع داخلی استخراج کنیم.”

باز کردن کاتدها در اجاق مایکروویو

در باتری، کاتد الکترود مثبتی است که در آن یون‌های لیتیوم با الکترون‌های خارج از باتری برخورد می‌کنند.

با استفاده از یک راکتور مایکروویو – از نظر اندازه و مصرف انرژی مشابه اجاق مایکروویو خانگی، اما قابل تنظیم تر – و یک یون بزرگ با بار مثبت، محققان می توانند پودر کاتد قدیمی را به لایه های کوچکی به نام نانوصفحات باز کنند. یون با بار مثبت بزرگ شبیه به ماده فعال در حالت دهنده مو است.

دیویس ویلر چین گفت: مایکروویوها در گرم کردن آب بسیار کارآمد هستند. علاوه بر این، گرمایش ناهموار، که می تواند هنگام گرم کردن باقیمانده ها خسته کننده باشد، در تخریب مواد کاتدی مفید است.

دیویس-ویلر چین گفت، روش مایکروویو زمان تبدیل اکسید کبالت لیتیوم پودری، رایج ترین ماده کاتدی باتری های لیتیوم یون قدیمی، را از هفت روز به دو ساعت کاهش می دهد.

کریستن جونز، کارآموز سابق سندیا و دانشجوی فوق دکترا در دانشگاه نیواورلئان، در توسعه روش مایکروویو مشارکت داشت. روش جدید 95 درصد از مواد را به نانوصفحات تبدیل می کند، در حالی که قبلا 60 درصد بود.

البته باتری ها برای جداسازی و استخراج طراحی نشده اند، بنابراین کار قابل توجهی در حذف کاتدها از باتری های قدیمی و تبدیل آنها به گرد و غبار قابل استفاده انجام شد. کوین لیونگ، دانشمند مواد محاسباتی ساندیا که تیم تحقیق و توسعه آزمایشگاه را رهبری می‌کند، گفت که این بیشتر از آنچه انتظار می‌رفت، چالش برانگیز بود. این کار جداسازی قطعات توسط دانشمند مواد برایان ویگانت و با استفاده از تخصص آزمایشگاه آزمایش سوء استفاده از باتری Sandia انجام شد.

دیویس-ویلر چین گفت که روش های دیگر استفاده مجدد از کاتدهای باتری لیتیوم یون قدیمی به ویژه در مرکز ReCell آزمایشگاه ملی آرگون در حال بررسی هستند.

لئونگ افزود: «آزمایشگاه‌های وزارت انرژی دیگری نیز روی بازیافت کاتد باتری کار می‌کنند. ما فقط یک روش متفاوت برای انجام آن داریم. روش ReCell برای تغییر ترکیب کاتد تقریباً همان روشی است که صنعت مواد کاتد را در وهله اول می‌سازد، که شامل قرار دادن همه چیز در اجاق و گرم کردن آن تا دمای بالا است. رویکرد ما فرآیندهای دمای پایین را امکان‌پذیر می‌کند که از مصرف انرژی زیاد اجتناب می‌کنند.»

جایگزینی کبالت با نیکل

چرا نانوصفحات؟

آلیا لپ، الکتروشیمیدان در Sandia با تخصص در تبادل یونی گالوانیک، می‌گوید: «زمانی که شما نانوصفحات دارید، تبادل یونی به کل ورقه دسترسی دارد و می‌توانید مقدار مواد حیاتی قابل مبادله را به حداکثر برسانید.

دیویس-ویلر چین گفت که این مهم است زیرا کار با نانوصفحات آسان‌تر است و به دانشمندان اجازه می‌دهد یون‌های فلزی موجود در مواد را مبادله کنند تا با روندهای صنعت همگام شوند. لئونگ گفت، برای مثال، صنعت خودرو پس از جایگزینی مقداری کبالت گران قیمت با نیکل ارزان‌تر، عملکرد کاتد بهتری پیدا کرده است.

لاپ گفت: “این مهم است زیرا زمانی که یکی از این کاتدها را بازیافت می کنیم، 10 تا 15 سال از ساخت آن می گذرد و روند صنعت می تواند در طول این مدت به شدت تغییر کند.” “این تضمین می کند که کاتدهایی که ما تولید می کنیم با روندهای فعلی مطابقت دارند.”

دیویس-ویلر چین گفت: علاوه بر این، روش نانو ورق به طور خودکار عیوب میکروسکوپی در مواد کاتد ایجاد شده در طول سال‌ها استفاده را تصحیح می‌کند و حتی ناخالصی‌ها را از بین می‌برد. روش‌های موجود بازیافت کاتد نمی‌توانند این عیوب را بدون مراحل اضافی «درمان» کنند.

لاپ گفت، کبالت حذف شده از کاتد جایگزین شده با نیکل را می توان گرفت و در یک کاتد اضافی استفاده کرد و به طور موثر دو کاتد جدید از یک کاتد قدیمی ساخت.

آناستازیا ایلگن، ژئوشیمیدان در ساندیا، روشی را بر اساس یک چارچوب آلی فلزی ایجاد کرد تا به طور انتخابی کبالت جایگزین شده را از مخلوط واکنش جذب کند.

پیش از این در این پروژه، لئونگ شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای را در پاییز 2022 اجرا کرد تا ببیند آیا تبادل یون فلزی ممکن است یا نه. او گفت که محاسبات تئوری تابعی چگالی نشان داد که تبادل خود به خود نخواهد بود، اما خیلی نامطلوب یا خیلی کند نبود.

این تیم به رهبری Candace Chan، استاد دانشگاه ایالتی آریزونا، سپس آزمایشاتی را برای اثبات مفهوم تبادل یونی انجام دادند. آنها با استفاده از چندین روش نشان دادند که توانستند حدود یک نهم کبالت را با نیکل جایگزین کنند. Lapp بعداً به پروژه ملحق شد و در مورد تبادل یون و همچنین امکان پذیرترین و مقرون به صرفه ترین مسیرها برای استفاده مجدد از کاتد راهنمایی ارائه کرد.

توسعه فناوری ادامه دارد

در بهار 2025، دیویس-ویلر چین و لئونگ در برنامه آموزشی نیروی I-Corps وزارت انرژی ایالات متحده شرکت کردند تا روش خود را برای “معدن برداری” مایکروویو به فناوری توسعه دهند. دیویس-ویلر چین گفت که به عنوان بخشی از این برنامه، آنها با 80 نفر از رهبران صنعت بازیافت باتری برای درک بهتر چالش های صنعت و محیط بازار مصاحبه کردند.

Lapp علاوه بر تجزیه و تحلیل فنی-اقتصادی روش، روی بهبود تبادل یونی نیز کار کرد. او گفت که یک چالش کلیدی این است که اطمینان حاصل شود که کاتدهای ایجاد شده توسط استخراج باتری های قدیمی ارزان تر از واردات کاتدها یا مواد کاتدی جدید از سایر کشورها هستند. او افزود، تجزیه و تحلیل اولیه با استفاده از یک ابزار مدل‌سازی اقتصادی که توسط Argonne توسعه یافته است، نشان می‌دهد که این روش پتانسیل افزایش سود بازیافت کاتد را حداقل 30 درصد در مقایسه با روش‌های بازیافت پیشرفته دارد.

این فناوری در جایزه R&D 100 امسال به نمایش گذاشته شد. این تیم دو حق ثبت اختراع برای این فناوری به ثبت رسانده است و به طور فعال به دنبال شرکای صنعتی برای توافقنامه های تحقیقاتی مشترک، مجوزها و پیشنهادات مالی برای تجاری سازی فناوری است.

لاپ گفت: این روش را می توان به انواع دیگر کاتدهای باتری مانند باتری های سدیم یون یا باتری های یون روی تعمیم داد. تا زمانی که ماده کاتد یک ترکیب لایه‌ای میان‌افکن باشد، روش ما کار خواهد کرد. این یک فناوری فوق‌العاده با پتانسیل بسیار است.

محققان به اصلاح این فرآیند، از جمله بهبود تبادل یونی و مطالعه اقتصادی این رویکرد، ادامه می‌دهند. با این حال، نتایج اولیه نشان می‌دهد که باتری‌های قدیمی می‌توانند چیزی بیش از هدر رفتن باشند. با توسعه بیشتر، آنها می توانند به یک منبع داخلی ارزشمند برای نسل بعدی فناوری ذخیره انرژی تبدیل شوند. این تحقیق توسط برنامه LDRD ساندیا تامین مالی شد. توسعه این فناوری توسط برنامه Energy I-Corps پشتیبانی شد.