حمام الکتروشیمیایی کرنل برای احیای باتری لیتیوم یون

یک گوشی فرسوده یا باتری خودروی برقی را تصور کنید که وارد یک حمام ترمیم‌کننده می‌شود. این تصویر به چیزی نزدیک است که پژوهشگران دانشگاه کرنل ساخته‌اند: یک حمام الکتروشیمیایی که می‌تواند الکترودهای مصرف‌شده باتری‌های لیتیوم‌یون را دوباره زنده کند و حدود ۹۵ درصد از ظرفیت اولیه آن‌ها را بازگرداند. اهمیت این دستاورد در آن است که باتری را نه به‌عنوان ضایعات دورریختنی، بلکه به‌عنوان دستگاهی قابل تعمیر می‌بیند.

یک شست‌وشوی شیمیایی ملایم برای الکترودهای خسته

درون یک سلول سالم لیتیوم‌یون، لایه‌ای نازک و محافظ روی سطح الکترودها شکل می‌گیرد؛ الکتروشیمی‌دانان به آن میان‌فاز الکترولیت جامد، یا به اختصار اس‌ای‌آی، می‌گویند. این لایه در ابتدا مفید است. اما وقتی بیش از حد رشد کند، به محلی برای تجمع مشکل‌ها تبدیل می‌شود. با هر چرخه شارژ ضخیم‌تر می‌شود، مقاومت داخلی را افزایش می‌دهد و ظرفیت قابل استفاده باتری را می‌بلعد. روش‌های سنتی بازیافت باتری با خرد کردن سلول‌ها و سپس سوزاندن یا فرآوری شیمیایی پودر حاصل برای استخراج فلزات با این مشکل روبه‌رو می‌شوند. این مسیرها مواد خام را بازیابی می‌کنند، اما به انرژی زیاد، آب فراوان و هزینه بالا نیاز دارند.

تیم کرنل مسیر متفاوتی را انتخاب کرد. آن‌ها به‌جای پودر کردن باتری، آن را باز می‌کنند و الکترودهای سالم و دست‌نخورده را در یک محلول الکتروشیمیایی ویژه فرو می‌برند. این مایع، لایه اضافی میان‌فاز الکترولیت جامد را بدون تخریب ساختار زیرین الکترود حل می‌کند. این رویکرد که بازسازی مستقیم الکترود به الکترود نام گرفته، سطح الکترودها را تا نزدیکی وضعیت تازه و اولیه بازیابی می‌کند و در پایان یک لایه نازک غیرفعال‌ساز از لیتیوم فلوراید بر جای می‌گذارد که به جلوگیری از تشکیل سریع دوباره رسوبات ضخیم کمک می‌کند.

تعمیر به‌جای بازیافت. گرمای کمتر، آسیاب‌کاری کمتر و مراحل صنعتی بسیار کمتر. بر اساس مطالعه‌ای که در مجله انرژی و علوم زیست‌محیطی منتشر شده است، این فرایند هزینه ساخت سلول‌های بازیافتی را در مقایسه با جریان‌های رایج بازیافت باتری حدود ۵۶ درصد کاهش می‌دهد. انتشار آلاینده‌های هوا و مصرف آب نیز کاهش پیدا می‌کند.

آیا یک باتری احیاشده می‌تواند در بلندمدت دوام بیاورد؟ تیم پژوهشی این موضوع را هم آزمایش کرد. پس از بازگرداندن سلول‌ها به چرخه استفاده، مشاهده کردند که تجمع لایه میان‌فاز الکترولیت جامد به‌تدریج از سر گرفته می‌شود. سپس فرایند الکتروشیمیایی را برای بار دوم اجرا کردند. نتیجه امیدوارکننده بود: حتی پس از دو چرخه کامل بازسازی، سلول‌ها نزدیک به ۹۰ درصد از ظرفیت اولیه خود را حفظ کردند. از نظر عملی، باتری‌ای که زمانی به نظر می‌رسید راهی محل دفن زباله خواهد شد، می‌تواند یک زندگی دوم و گاهی حتی سوم پیدا کند.

نویسندگان مطالعه جمع‌بندی می‌کنند: «ما می‌توانیم الکترودها را بدون خرد کردن آن‌ها تعمیر کنیم و هم هزینه و هم آسیب زیست‌محیطی را کاهش دهیم.» این جمله تغییر بالقوه را به‌خوبی نشان می‌دهد: حرکت از بازیافت استخراج‌محور به سمت بازسازی قطعات در سطح خود اجزا.

این دستاورد برای باتری‌ها و سیاره چه معنایی دارد

پذیرش گسترده این فناوری می‌تواند زنجیره‌های تأمین را تغییر دهد. نیاز به استخراج مواد کاتدی جدید کمتر می‌شود. تولیدکنندگان و اپراتورهای ناوگان می‌توانند عمر بسته‌های باتری را افزایش دهند و هزینه کل مالکیت خودروهای برقی را پایین بیاورند. با این حال، موانعی هم وجود دارد. این روش به جداسازی ایمن، زیرساخت مناسب برای جابه‌جایی الکترودها و سامانه‌های مدیریت مواد شیمیایی نیاز دارد. گسترش آن در مقیاس صنعتی مستلزم باز کردن خودکار سلول‌ها و تدوین فرایندهای استاندارد است تا تکنسین‌ها بتوانند مجموعه‌های الکترودی را در مراکز بازیافت یا پایگاه‌های بازسازی باتری پردازش کنند.

از نظر فنی، این روش راه‌حل کامل برای همه مشکلات نیست. این فناوری افت ظرفیت ناشی از رشد لایه میان‌فاز الکترولیت جامد را هدف قرار می‌دهد، اما شکل‌های دیگر تخریب مانند شکست مکانیکی یا از دست رفتن ماده فعال ممکن است همچنان به بازیابی متعارف مواد نیاز داشته باشند. با این حال، افزودن یک مرحله تعمیر قابل اعتماد پیش از بازیافت تخریبی می‌تواند پسماند را کاهش دهد و رشد تقاضا برای مواد اولیه بکر را کندتر کند.

جمع‌بندی

حمام الکتروشیمیایی کرنل نگاه ما به باتری‌های پایان‌عمر را تغییر می‌دهد: نه به‌عنوان سنگ‌معدن‌هایی در مسیر دفن زباله، بلکه به‌عنوان دارایی‌هایی که می‌توان آن‌ها را تازه‌سازی کرد. با توسعه این فناوری توسط پژوهشگران و سازگاری صنعت با آن، رویکرد تعمیر در اولویت می‌تواند هزینه‌ها را کاهش دهد، انتشار آلاینده‌ها را پایین بیاورد و عمر مفید فناوری لیتیوم‌یون را افزایش دهد.