به گزارش خبرنگار دانش و فناوری خبرگزاری دانشجو، ممکن است روشی پاک‌تر برای بازیابی لیتیوم از باتری‌های از کار افتاده، تازه از آزمایشگاه بیرون آمده و به زنجیره تأمین آینده راه پیدا کرده باشد.
با افزایش خودرو‌های برقی در سراسر جهان، باتری‌های مصرف‌شده‌ی آنها رو به افزایش است. لیتیوم برای استخراج گران، برای پالایش پیچیده و برای بازیابی پاک آن دشوار است.
امروزه بیشتر بازیافت‌ها به گرما یا شیمی تهاجمی متکی هستند و اغلب کربنات لیتیوم تولید می‌کنند که هنوز نیاز به تبدیل به هیدروکسید لیتیوم دارد تا تولیدکنندگان بتوانند دوباره از آن استفاده کنند.
تیمی از مهندسان دانشگاه رایس یک سوال به ظاهر ساده پرسیدند: چرا لیتیوم را به همان روشی که باتری هنگام شارژ آن را آزاد می‌کند، بازیافت نکنیم؟ این کنجکاوی باعث ایجاد روشی شده است که از ذوب، اسید‌های خشن و پالایش چند مرحله‌ای جلوگیری می‌کند.
استراتژی این تیم، شارژ مجدد مواد کاتدی زائد برای جذب یون‌های لیتیوم به داخل آب است، جایی که آنها فوراً با هیدروکسید جفت می‌شوند تا هیدروکسید لیتیوم آماده برای باتری را تشکیل دهند.
الکترون‌ها کار‌های سنگین را انجام می‌دهند
سیبانی لیزا بیسوال گفت: «ما یک سوال اساسی پرسیدیم: اگر شارژ کردن باتری، لیتیوم را از کاتد بیرون می‌کشد، چرا از همان واکنش برای بازیافت استفاده نکنیم؟» «با جفت کردن این واکنش شیمیایی با یک راکتور الکتروشیمیایی فشرده، می‌توانیم لیتیوم را به طور تمیز جدا کنیم و دقیقاً همان نمکی را که تولیدکنندگان می‌خواهند تولید کنیم.»
این سیستم از نحوه رفتار یک باتری در حال کار الگوبرداری کرده است. وقتی جریان برقرار می‌شود، یون‌های لیتیوم کاتد را ترک می‌کنند. راکتور رایس این واکنش را روی ضایعات باتری مانند فسفات آهن لیتیوم اعمال می‌کند.
یک غشای تبادل کاتیونی نازک، یون‌های لیتیوم را به جریان آب هدایت می‌کند. در الکترود مقابل، آب تجزیه می‌شود و هیدروکسید تولید می‌شود. لیتیوم و هیدروکسید در جریان آب به هم می‌رسند و هیدروکسید لیتیوم با خلوص بالا را تشکیل می‌دهند، همه اینها بدون مواد شیمیایی اضافی انجام می‌شود.
این تحقیق یک راکتور غشایی-الکترودی با شکاف صفر را نشان می‌دهد که تنها با برق، آب و جرم سیاه کار می‌کند. در حالت‌های خاص، این فرآیند فقط ۱۰۳ کیلوژول انرژی به ازای هر کیلوگرم زباله مصرف کرد - تقریباً یک مرتبه کمتر از مسیر‌های معمول شستشوی اسیدی، به استثنای نیاز‌های پردازش اضافی آنها.
تیم، کار را در مقیاس آزمایشگاهی رها نکرد.
دستگاه ۲۰ سانتی‌متر مربعی آنها آزمایش دوام ۱۰۰۰ ساعته را پشت سر گذاشت و ۵۷ گرم جرم سیاه صنعتی از TotalEnergies را پردازش کرد.
هائوتیان وانگ گفت: «تولید مستقیم هیدروکسید لیتیوم با خلوص بالا، مسیر بازگشت به باتری‌های جدید را کوتاه می‌کند. این به معنای مراحل پردازش کمتر، ضایعات کمتر و زنجیره تأمین انعطاف‌پذیرتر است.»
خلوص، دوام، تطبیق پذیری
این رآکتور، هیدروکسید لیتیوم را با خلوص بیش از ۹۹ درصد تولید کرد و مصرف انرژی پایینی داشت که بسته به حالت، از ۱۰۳ تا ۵۳۶ کیلوژول در هر کیلوگرم متغیر بود.
بازیابی لیتیوم در طول ۱۰۰۰ ساعت آزمایش به طور متوسط نزدیک به ۹۰ درصد بود.
این رویکرد به خوبی با مواد شیمیایی متعددی از جمله فسفات آهن لیتیوم، اکسید منگنز لیتیوم و ترکیبات مختلف نیکل-منگنز-کبالت سازگار بود.
حتی الکترود‌های کامل فسفات آهن لیتیوم مستقیماً از فویل آلومینیومی به صورت رول به رول پردازش شدند و نیازی به تراشیدن و پیش‌پردازش نبود.
وانگ گفت: «نمایش رول به رول نشان می‌دهد که چگونه می‌توان این را به خطوط جداسازی خودکار متصل کرد. شما الکترود را وارد می‌کنید، راکتور را با برق کم کربن تغذیه می‌کنید و هیدروکسید لیتیوم با کیفیت باتری را بیرون می‌کشید.»
گام‌های بعدی این تیم شامل افزایش مقیاس به پشته‌های با مساحت بزرگتر، افزایش بارگذاری جرم سیاه و طراحی غشا‌های آبگریز و گزینشی‌تر است.
پس از تصفیه، فرآیند تغلیظ و تبلور هیدروکسید لیتیوم می‌تواند مصرف انرژی و انتشار گاز‌های گلخانه‌ای را بیشتر کاهش دهد.
بیسوال گفت: «ما استخراج لیتیوم را تمیزتر و ساده‌تر کرده‌ایم. اکنون تنگنای بعدی را به وضوح می‌بینیم. با مقابله با تمرکز، پایداری حتی بهتری را به دست خواهید آورد.»
یافته‌های این مطالعه در مجله Joule منتشر شده است.