محققان موفق به توسعه روشی نوین برای بازیافت باتریهای فرسوده خودروهای برقی شدهاند که نهتنها آنها را احیا میکند بلکه عملکردشان را نیز نسبت به گذشته ارتقا میدهد.
به گزارش interestingengineering، فناوری کاتد باتریهای لیتیوم آهن فسفات (LFP) را به مادهای پیشرفتهتر با نام لیتیوم منگنز آهن فسفات (LMFP) تبدیل میکند؛ مادهای که ظرفیت ذخیره انرژی بیشتری دارد و در عین حال، ایمنی و طول عمر بالای باتریهای LFP را حفظ میکند.
پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا سندیگو در مطالعهای که نتایج آن در نشریه تخصصی Joule منتشر شده است روشی موسوم به بازیافت ارتقایی (Upcycling) ارائه کردهاند. برخلاف روشهای متداول که در آنها باتریهای مستعمل ابتدا به مواد اولیه تجزیه و سپس دوباره به کاتد جدید تبدیل میشوند این فناوری مستقیما کاتد قدیمی را به مادهای با عملکرد بهتر ارتقا میدهد. به گفته پژوهشگران این رویکرد علاوه بر کاهش مصرف انرژی، میزان ضایعات و آلودگیهای زیستمحیطی را نیز به شکل قابل توجهی کاهش میدهد و ارزش اقتصادی باتریهای بازنشسته را افزایش میدهد.
باتریهای لیتیوم آهن فسفات در سالهای اخیر به یکی از پرکاربردترین انواع باتری در خودروهای برقی و سامانههای ذخیرهسازی انرژی تبدیل شدهاند. دلیل استقبال گسترده از این باتریها، قیمت پایینتر آنها نسبت به بسیاری از باتریهای لیتیومیونی دیگر است زیرا در ساخت آنها از فلزات گرانقیمتی مانند کبالت و نیکل استفاده نمیشود.
امروزه این نوع باتری نزدیک به نیمی از بازار جهانی باتریهای لیتیومیونی را در اختیار دارد و با افزایش تعداد خودروهای برقی، میلیونها باتری LFP در سالهای آینده به پایان عمر مفید خود خواهند رسید. از این رو توسعه روشهای کارآمد برای بازیافت آنها به یکی از چالشهای مهم صنعت انرژی تبدیل شده است.
در بیشتر فناوریهای فعلی بازیافت برای استخراج مواد ارزشمند از باتریها از دماهای بسیار بالا یا مواد شیمیایی قوی استفاده میشود؛ فرآیندهایی که انرژی زیادی مصرف کرده و ضایعات و آلایندههای قابل توجهی تولید میکنند.
وی لی، نخستین نویسنده این پژوهش و پژوهشگر فوقدکتری آزمایشگاه ژنگ چن در دانشگاه کالیفرنیا سندیگو در اینباره گفت: روشهای متداول بازیافت، سازگار با محیط زیست نیستند. این فرآیندها انرژی زیادی مصرف میکنند و مقدار قابل توجهی پسماند و گازهای آلاینده تولید میکنند.
پیش از این گروه تحقیقاتی ژنگ چن موفق شده بود روشی برای احیای باتریهای LFP فرسوده و بازگرداندن آنها به همان ترکیب اولیه ارائه کند، اما در آن روش باتری بازیافتی همچنان همان ویژگیهای شیمیایی قبلی را داشت.
وی لی توضیح داد: پس از احیا محصول نهایی همچنان یک باتری LFP بود، اما در فناوری جدید همین ماده به باتری LMFP تبدیل میشود که ظرفیت ذخیره انرژی بیشتری دارد. ژنگ چن نیز تاکید کرد: این فناوری میتواند ارزش اقتصادی بسیار بیشتری برای باتریهای پایانیافته ایجاد کند.
فرآیند بازیافت با باز کردن بستههای باتری آغاز میشود. در این مرحله پژوهشگران لایههای مارپیچی داخل باتری که به جلی رول (Jelly Roll) معروف هستند را خارج کرده و به ورقههای جداگانه برش میدهند.
سپس این ورقهها در آب قرار داده شده و با لرزش ملایم، پوشش کاتد از فویل آلومینیومی جدا میشود. به گفته پژوهشگران فویل آلومینیومی نیز قابلیت بازیافت مستقل دارد.
پس از جداسازی ماده کاتدی خشک شده و به پودری سیاهرنگ تبدیل میشود سپس نمکهای لیتیوم، منگنز و فسفات به آن افزوده میشوند تا مواد اولیه لازم برای تولید LMFP فراهم شود.
یکی از مهمترین چالشهای این فرآیند تفاوت ساختار بلوری مواد اولیه با ساختار بلوری کاتد LFP بود.
وی لی توضیح داد: ساختارهای بلوری این مواد با یکدیگر سازگار نیستند. اگر مستقیما با هم ترکیب شوند، توزیع اتمها در محصول نهایی یکنواخت نخواهد بود و عملکرد الکتروشیمیایی باتری کاهش مییابد.
برای رفع این مشکل پژوهشگران ابتدا ترکیب واسطهای لیتیوم منگنز فسفات (LMP) را تولید کردند که ساختار بلوری آن شباهت زیادی به LFP دارد. سپس این ماده با پودر کاتد مخلوط و تحت عملیات حرارتی قرار گرفت.
ژنگ چن درباره این مرحله گفت: در این بخش، شیمی جذاب فرآیند آغاز میشود.
در جریان حرارتدهی ابتدا ترکیب LMP تشکیل شده و بهطور یکنواخت با LFP مخلوط میشود. سپس اتمهای منگنز بهتدریج جایگزین بخشی از اتمهای آهن شده و ساختار یکنواخت LMFP را ایجاد میکنند. همزمان لایهای بسیار نازک از کربن نیز اطراف ذرات تشکیل میشود که هدایت الکتریکی آنها را افزایش داده و از تخریب آنها در چرخههای متعدد شارژ و دشارژ جلوگیری میکند.
نتایج آزمایشها نشان داد ماده LMFP بازیافتی نسبت به کاتد اولیه LFP انرژی بیشتری ذخیره میکند و در عین حال ایمنی بالا و دوام طولانی خود را حفظ میکند.
پژوهشگران این فناوری را روی باتریهای LFP تولیدکنندگان مختلف آزمایش کردند و موفق شدند فرآیند را تا مقیاس چند کیلوگرمی توسعه دهند؛ موضوعی که نشاندهنده قابلیت استفاده صنعتی این روش است.
همچنین کاتدهای بازیافتی در هر دو نوع سلولهای آزمایشگاهی کوچک (Coin Cell) و سلولهای پاکتی (Pouch Cell) که شباهت زیادی به باتریهای مورد استفاده در خودروهای برقی و سامانههای ذخیرهسازی انرژی دارند، عملکرد مطلوبی از خود نشان دادند.
تیم تحقیقاتی اعلام کرده است در مرحله بعد تمرکز خود را بر افزایش بازده فرآیند، بازیابی مقدار بیشتری از مواد، بهینهسازی ترکیب شیمیایی و ساختار LMFP و آمادهسازی این فناوری برای بازیافت در مقیاس صنعتی قرار خواهد داد.
به اعتقاد پژوهشگران این فناوری میتواند ضمن کاهش هزینههای بازیافت، مصرف انرژی و تولید پسماند را نیز کاهش دهد و راهکاری پایدار برای مدیریت میلیونها باتری خودروهای برقی باشد که در سالهای آینده از چرخه مصرف خارج خواهند شد.
انتهای پیام/