از زباله به گنج: پرینستون باتری‌های مرده خودروهای برقی را به طلا تبدیل می‌کند
دوران خودروهای برقی (EVs) تازه شروع شده است، اما مشکل زباله‌های باتری‌ها از حالا قابل چشم‌پوشی نیست.
فن آوری بازیافت باتری دهه‌هاست که وجود دارد، اما بسیار زمان‌بر و انرژی‌بر است و به سختی قابل گسترش. پرینستون نوانرژی، یک استارت‌آپ از دانشگاه پرینستون، راه‌حلی ارائه داده که می‌تواند کمک کند.
مشکل ‘باتری‌های مصرف‌شده’
بر اساس یک گزارش بی‌بی‌سی ، در سال ۲۰۲۰، حدود ۵۵۰٬۰۰۰ باتری خودروهای برقی (EV) به پایان عمر خود رسیدند. چرخه‌ی این باتری‌ها زمانی آغاز شد که استفاده از خودروهای برقی هنوز گسترده نشده بود. تا سال ۲۰۳۵، انتظار می‌رود این عدد به ۱۵۰ میلیون برسد.
آژانس حفاظت از محیط زیست (EPA) باتری‌های لیتیوم-یون را به عنوان زباله خطرناک طبقه‌بندی می‌کند. زمانی که در پایان چرخه عمر خود دفع می‌شوند، اگر به درستی مدیریت نشوند، احتمال انفجار یا آتش سوزی بیشتری دارند.
در صورت عدم درمان، باتری‌ها نیز در زمین‌چاله‌ها پایان می‌یابند، جایی که می‌توانند مواد شیمیایی سمی نشت کنند که به آب‌های زیرزمینی و خاک آلودگی وارد کرده و برای جوامع نزدیک خود خطر سلامتی ایجاد کنند. EPA توصیه می‌کند مواد شیمیایی از باتری‌های مصرف‌شده بازیابی شوند زیرا قابل استفاده مجدد هستند.
به عنوان مثال، استخراج یک تن لیتیوم از منابع طبیعی نیاز به ۲۵۰ تن سنگ معدن دارد و ۷۵۰ تن شورآب تولید می‌کند. در مقابل، تنها ۲۸ تن از باتری‌های لیتیوم-یون استفاده شده می‌توانند یک تن لیتیوم با کیفیت بالا تولید کنند که دوباره در باتری‌ها مورد استفاده قرار گیرد.
چگونه باتری‌ها بازیافت می‌شوند؟
یک روش متداول در بازیافت، خرد کردن است، جایی که قسمتی یا تمام باتری بعد از تخلیه کامل خرد می‌شود. این عملیات جریان‌های مختلف موادی نظیر پلاستیک‌ها، الکترولیت‌ها، فولاد، مس، آلومینیوم، و ماسه سیاه تولید می‌کند—مواد دانه‌ای که حاوی کاتدها و آندهای خرد شده هستند و سپس برای ساخت کاتدها و آندهای جدید استفاده می‌شوند.
دو روش می‌تواند برای بازیابی مواد از ماسه سیاه استفاده شود: پیرو متالورژی، جایی که از حرارت برای ذوب کردن فلزات از مواد استفاده می‌شود، و هیدرومتالورژی ، جایی که از مایعات برای شستن فلزات استفاده می‌شود.
اما این روش‌ها مسائلی مانند انتخاب کم و انتشار گازهای سمی مانند اکسید نیتریک و دی‌اکسید گوگرد دارند. واکنش‌های پیرو متالورژی در دماهایی به بلندی ۲۹۱۲ درجه فارنهایت (۱۶۰۰ درجه سلسیوس) رخ می‌دهند، که نیازمند استفاده از سوخت‌های فسیلی است. هیدرومتالورژی ممکن است نیاز به دماهای بالاتر نداشته باشد اما همچنان از بازیابی ناقص فلز و استفاده بیش از حد از مواد معدنی برای تسهیل بازیابی رنج می‌برد.
با تنها پنج درصد از باتری‌ها که در حال حاضر بازیافت می‌شوند، نیاز به افزایش تلاش‌های بازیافت وجود دارد زیرا انتظار می‌رود زباله‌های باتری در دهه آینده افزایش یابد. با این حال، فرآیندهای بازیافت باید کارآمدتر شوند تا بازیافت در مقیاس بزرگ مؤثر باشد.
وزارت انرژی آمریکا علاقه‌مند به کشف فناوری‌های جدید برای بازیافت باتری فرای استفاده از روش‌های حرارتی و مبتنی بر مایع بوده است. اینجا جایی است که فناوری بازیافت مبتنی بر پلاسما پرینستون نوانرژی می‌تواند کمک کند.
روش با استفاده از همان مراحل جداسازی و خرد کردن مانند بازیافت باتری معمولی عمل می‌کند اما از یک جداسازی کم دما با پلاسما (LPAS) به جای مراحل مصرف‌کننده انرژی استفاده می‌کند.
جداسازی کم دما با پلاسما
قبل از اعمال مرحله LPAS، اجزای باتری مانند مس، آلومینیوم، پلاستیک، کاتد، و آند جدا می‌شوند. تنها کاتد و آندو وارد مرحله LPAS می‌شوند، جایی که پس از حذف ناخالصی‌های سطحی مجدداً تازه می‌شوند.
"بر خلاف فرآیندهایی مانند هیدرو/پیرو که مواد کاتد قدیمی را به مواد شیمیایی با استفاده از شستشو با اسید تبدیل می‌کنند، LPAS از پلاسما کم دما برای ایجاد گونه‌های بسیار واکنش‌پذیر (الکترون، یون، اتم) استفاده می‌کند که ناخالصی‌های سطحی را حذف کرده و مواد را برای احیاء بعدی فعال می‌کنند," توضیح داد شیائوفانگ یانگ، هم‌بنیانگذار و مدیر فناوری پرینستون نوانرژی در ایمیلی به مهندسی جالب .
با این که پلاسما معمولاً با دمای بالا همراه است، پلاسما پرینستون نوانرژی دارای دمای کم است که با پایین نگه داشتن دمای مولکولی و بالا بودن دمای الکترون به دست می‌آید. "این با کنترل توان تخلیه، فشار و طراحی راکتور پلاسما به دست می‌آید و نه با سوزاندن سوخت‌های فسیلی," افزود یانگ.
فناوری ثبت شده مواد کاتد و آند تازه‌ای که با منابع طبیعی استخراج شده و با استانداردهای کیفیت سازندگان تجهیزات اصلی (OEMs) برابر هستند ارائه می‌دهد.
اهمیت زیادی در ارائه مواد با کیفیت بالا از فرآیند بازیافت به اصلاح ساختار، ترکیب، و عملکرد مواد کاتدهای قدیمی که اغلب لیتیوم کمتر و عملکرد الکتروشیمیایی ضعیف‌تری دارند بعد از چرخه‌های طولانی مدت، دارد.
یانگ توضیح داد: "گام تازه‌سازی شامل کنترل دقیق محیط‌های لیتی‌سازی است که در آن پوسته‌ی میکرویی از لیتیوم بر روی سطح ماده ایجاد می‌شود و منجر به لیتی‌سازی یکنواخت و کامل می‌شود."
مزایای LPAS
میزان بازیابی که با استفاده از این روش به دست آمده است تا ۹۵ درصد است و همچنین به بهبود نتایج هزینه و محیط زیست کمک می‌کند. با توجه به شرکت، LPAS ارائه‌دهنده ۷۳ درصد کاهش در مصرف انرژی و ۶۹ درصد کاهش در انتشار کربن دی‌اکسید در مقایسه با استخراج روتین خواهد بود و همچنین از ۶۹ درصد آب کمتری استفاده می‌کند.
"روش بازیافت مستقیم ما هدف دارد رقابتی باشد با کاهش مصرف انرژی و شیمیایی نسبت به روش‌های سنتی. به طور کلی ۳۸ درصد کاهش در هزینه‌های تولید نسبت به تولید ماده فعال کاتد (CAM) از نوع خام ارائه می‌دهد," یانگ ادعا کرد.
"ما با عدم استفاده از شستشوی اسیدی، نیاز به لیتیوم کمتر در فرآیند بازیافت و کمتری در مصرف انرژی، انتشار کربن و مدیریت زباله که هزینه‌های عملیاتی ما را کاهش می‌دهند، هزینه‌ها را کاهش می‌دهیم."
"صرفه‌جویی هزینه از حذف هزینه‌های دفع باید به بازده سرمایه‌گذاری کلی (ROI) لحاظ شود," جان م ویلیامز، مدیر عامل شرکت Viridi، یک ارائه‌دهنده راه‌حل‌های ذخیره‌سازی انرژی در آمریکا، توضیح داد. "با بازیافت به جای دفع، شرکت‌ها می‌توانند از هزینه‌های روزافزون مدیریت زباله‌های خطرناک جلوگیری کنند، که یک انگیزه مالی مهم به معادله اضافه می‌کند."
در حینیکه تکنیک‌های سنتی مانند هیدرومتالورژی با تغییر ترکیب الکترودها به عنوان تکنولوژی باتری پیشرفت می‌کند، LPAS ثابت کرده است که در برابر تکنولوژی‌های باتری مانند نیکل، کبالت، و منگنز (NCM) و نیکل، کبالت، و اکسید آلومینیوم (NCA) که بیشتر در خودروهای برقی استفاده می‌شوند، کار کند.
فناوری برای باتری‌های فسفات آهن لیتیوم (LFP) که در حال حاضر در خودروهای برقی استفاده می‌شوند و باتری‌های اکسید کبالت لیتیوم (LCO) که در الکترونیک مصرفی استفاده می‌شوند به خوبی کار کرده است.
در شرایط آزمایشگاهی، فناوری بازیافت از باتری‌های LCO حفظ ظرفیت تخلیه ۸۳.۶۶ درصدی و از باتری‌های NCM میزان ۸۸.۹ درصدی پس از بیش از ۱۰۰۰ چرخه‌ی عمیق ارائه داد. این عملکرد برابر با باتری‌های لیتیوم-یون ساخته شده با مواد اولیه خام است.
افزایش مقیاس بازیافت باتری
پس از پاسخ به درخواست وزارت انرژی آمریکا برای فناوری‌های نوآورانه بازیافت باتری در سال ۲۰۱۷، محققان پرینستون به استفاده از پلاسما با دمای پایین پرداختند، تصمیم به تجاری‌سازی فناوری گرفتند و پرینستون نوانرژی را تأسیس کردند.
به عنوان بخشی از تلاش‌های تجاری‌سازی، تیم یک تأسیسات آزمایشی در تأسیسات مهندسی شیمی و زیستی پرینستون ساختند. پس از نشان دادن پتانسیل قابل توجه، PNE در حال راه‌اندازی اولین تأسیسات تجاری مقیاس بزرگ بازیافت مستقیم باتری لیتیوم-یون در کارولینای جنوبی آمریکا است.
انتظار می‌رود تأسیسات تا سه‌ماهه سوم سال ۲۰۲۸ به صورت آنلاین بیایند و برای تولید ۱۰٬۰۰۰ تن CAM باتری در سال طراحی شده است، معادل تولید باتری برای بیش از ۱۰۰٬۰۰۰ خودرو برقی در سال باشد.
"ما با شرکت‌های متعدد قراردادهایی برای تامین باتری‌های بازیافت شده داریم، و اطمینان می‌دهیم که جریان پایداری برای بازیافت ما وجود دارد," یانگ در ایمیلی به IE اضافه کرد.
راه پیش رو
نیاز به بازیافت باتری شناسایی شده و گروه‌های پژوهشی متعددی برای حل این مشکل کار کرده‌اند. مهندسی جالب به طور منظم بر روی روش‌های جدیدی که چگونه بازیافت می‌تواند تسریع یا کارآمدتر شود گزارش می‌دهد.
اما چالش اصلی افزایش مقیاس فناوری است. شرکت مستقر در انگلستان، Altilium، نیز برنامه‌هایی برای تولید باتری از باتری‌های مصرف‌شده EV اعلام کرده است، نشان دهنده این که فناوری اکنون به اندازه کافی بالغ است تا مقیاس‌بندی و عرضه شود.
سطح بعدی اثبات این است که بازیافت از لحاظ اقتصادی هم جوابگو است.
"وقتی شما همچنین حذف هزینه‌های دفع را محاسبه می‌کنید، بازیافت فرصت ROI قدرتمندی ارائه می‌دهد که می‌تواند به طور قابل توجهی اقتصاد بازیابی سلول‌های لیتیوم-یون را بهبود بخشد," ویلیامز به IE توضیح داد.
"در نهایت، برای موفقیت هر یک از این فناوری‌ها، آنها باید به طور مؤثر مقیاس‌بندی شوند و ارزش بیشتری از مواد بازیافت شده نسبت به هزینه کل کارخانه، تجهیزات و عملیات ایجاد کنند."
حتی پس از استعلام، PNE جزئیات هزینه‌های پروژه بزرگ‌مقیاس خود یا زمانی که احتمالاً تراز شده باشد را فاش نکرد. "مأموریت ما برابر یا بهتر از مواد کاتد درجه OEM با هزینه کمتر از مواد اولیه باتری اصلی است," یانگ افزود. او اصرار داشت که هزینه بازیافت باتری اطلاعات محرمانه‌ای است.
