پژوهشگران دانشگاه کرنل به روشی تازه برای احیای باتریهای لیتیومیونی دست یافتهاند که میتواند معادلات صنعت بازیافت باتری را تغییر دهد. این فناوری بدون آنکه باتری بهطور کامل خرد یا ذوب شود، الکترودهای فرسوده را بازسازی میکند و میتواند ظرفیت باتری را تا ۹۵ درصد مقدار اولیه بازگرداند؛ روشی که علاوه بر کاهش هزینهها، اثرات زیستمحیطی کمتری نیز به همراه دارد.
اینروزها پراستفادهترین فناوری باتری در تجهیزات قابل حمل الکترونیک، باتریهای لیتیوم-یون هستند که به دلیل ثبات و امنیت بالایشان، دامنه کاربرد و مشتریان زیادی دارند. حال تصور کنید برای جامعه میلیاردی این باتریها روشی پیدا شود که بتوانیم بدون هزینه خاصی آنها را احیا کنیم؛ بدون شک تجاریسازی این روش میلیاردها دلار صرفهجویی در صنایع مختلف ایجاد میکند.
بنابر گزارش NewAtlas، محققان دانشگاه کرنل به روشی دست پیدا کردهاند که میتواند تا 95 درصد از ظرفیت اولیه این باتریها را طی یک فرایند احیا، به آنها بازگرداند.
نتایج این پژوهش که توسط محققان دانشگاه کُرنل صورت گرفته، نشان میدهد فناوری جدید با نام Direct Electrode-to-Electrode Regeneration (DEER) میتواند هزینه تولید سلولهای بازیافتی را تا ۵۶ درصد کاهش دهد و در عین حال مصرف انرژی، آب و آلایندههای ناشی از فرآیندهای متداول بازیافت را نیز به شکل محسوسی کم کند.
چرا باتریهای لیتیومیونی فرسوده میشوند؟
یکی از مهمترین دلایل افت ظرفیت باتریهای لیتیومیونی، رشد تدریجی لایهای موسوم به لایه بینسطحی الکترولیت جامد (Solid Electrolyte Interphase یا SEI) روی سطح الکترودها است. این لایه در ابتدای عمر باتری برای عملکرد صحیح آن ضروری است، اما پس از صدها یا هزاران چرخه شارژ و دشارژ، ضخامت آن افزایش پیدا میکند.
ضخیم شدن بیش از حد SEI مقاومت داخلی باتری را بالا میبرد و مانع از جابهجایی مؤثر یونهای لیتیوم میشود؛ در نتیجه ظرفیت باتری بهتدریج کاهش مییابد. نکته مهم اینجاست که در بسیاری از موارد، ساختار اصلی الکترودها همچنان سالم باقی میماند و تنها همین لایه اضافی باعث بازنشسته شدن باتری میشود.
مشکل روشهای رایج بازیافت باتریهای Li-Ion
در فرآیندهای متداول، باتریهای از رده خارج ابتدا کاملاً تخلیه میشوند، سپس اجزای مختلف آنها از یکدیگر جدا شده و سلولها بهطور کامل خرد یا آسیاب میشوند. در ادامه مادهای موسوم به Black Mass یا «توده سیاه» به دست میآید که حاوی فلزات ارزشمندی مانند لیتیوم، نیکل، کبالت، منگنز، مس و آلومینیوم است.
در مرحله بعد، این مواد از طریق فرآیندهای پیچیده و پرمصرف پیرومتالورژی (استخراج با حرارت بالا) یا هیدرومتالورژی (استخراج شیمیایی در محلولهای آبی) بازیابی میشوند تا دوباره برای تولید الکترودهای جدید مورد استفاده قرار گیرند.
به اعتقاد پژوهشگران، این چرخه از نظر مصرف انرژی و منابع چندان منطقی نیست؛ زیرا در بسیاری از باتریها، خود الکترودها هنوز سالم هستند و تنها لایه SEI روی آنها باعث افت عملکرد شده است.
فناوری DEER چگونه باتری را احیا میکند؟
بنابر نتایج پژوهش حاضر که در نشریه Energy & Environmental Science منتشر شده، راهکار توسعهیافته در دانشگاه کرنل، بهجای تخریب کامل باتری، الکترودها را بهصورت سالم از سلول خارج میکند. سپس این الکترودها به یک جمعکننده جریان (Current Collector) متصل شده و داخل یک حمام الکتروشیمیایی حاوی حلال 1,3-Dimethyl-2-Imidazolidinone قرار میگیرند.
این محلول لایه ضخیم SEI را بهطور انتخابی حل میکند، بدون آنکه به ساختار اصلی الکترود آسیبی وارد شود. در پایان نیز لایهای نازک از فلوئورید لیتیوم (Lithium Fluoride) روی سطح الکترود باقی میماند که ضمن افزایش پایداری، سرعت تشکیل مجدد لایه SEI را کاهش میدهد. به همین دلیل، باتریهای بازسازیشده حتی پایداری چرخهای بهتری نسبت به انتظار پژوهشگران از خود نشان دادهاند.
ویبها کالرا، استاد مهندسی شیمی دانشگاه کرنل و سرپرست این پروژه، میگوید:
«ما الکترودها را همانطور که هستند تعمیر میکنیم؛ بدون اینکه آنها را خرد یا به پودر تبدیل کنیم. حذف لایه SEI باعث میشود باتری حدود ۹۵ درصد ظرفیت اولیه خود را بازیابی کند و این موضوع چرخه بازیافت را به شکل چشمگیری کوتاهتر میکند.»
کاهش هزینه، مصرف انرژی و آلودگی در روش DEER
پژوهشگران با استفاده از نرمافزار متنباز توسعهیافته توسط مرکز ReCell در آزمایشگاه ملی آرگون، اثرات اقتصادی و زیستمحیطی این فناوری را نیز بررسی کردند.
نتایج حاصله نشان میدهد فناوری DEER علاوه بر حذف مراحل پرهزینه استخراج مواد معدنی، هزینه تولید سلولهای بازیافتی را تا ۵۶ درصد کاهش میدهد. همچنین مصرف آب، انرژی و میزان انتشار آلایندههای هوا نیز نسبت به روشهای متداول بازیافت بهطور قابل توجهی کمتر خواهد بود.
عمر دوباره برای باتریهای احیاشده
یکی از جالبترین نتایج این تحقیق، امکان احیای مجدد همان باتری پس از فرسودگی دوباره است. پژوهشگران باتریهایی را که یک بار با فناوری DEER بازسازی شده بودند، پس از پایان چرخه کاری دوباره تحت همین فرآیند قرار دادند.
نتیجه نشان داد باتری پس از دومین مرحله احیا نیز همچنان حدود ۹۰ درصد ظرفیت اولیه خود را حفظ کرده است؛ موضوعی که میتواند طول عمر اقتصادی باتریهای لیتیومیونی را به شکل قابل توجهی افزایش دهد.
در حال حاضر این فناوری روی باتریهایی با ۷۰ تا ۸۰ درصد سلامت (State of Health) که معمولاً از خودروهای برقی خارج میشوند، آزمایش شده است. با این حال، پژوهشگران قصد دارند در ادامه، این روش را برای سایر عوامل تخریب باتری مانند کاهش ذخیره لیتیوم (Lithium Loss) نیز توسعه دهند تا دامنه باتریهای قابل احیا افزایش پیدا کند.
علاوه بر خودروهای برقی، تیم تحقیقاتی دانشگاه کرنل در حال بررسی استفاده از فناوری DEER برای باتریهای صنعتی و سامانههای بزرگ ذخیرهسازی انرژی است؛ حوزهای که در صورت موفقیت، میتواند هزینه نگهداری و بازیافت این تجهیزات را به شکل چشمگیری کاهش دهد.
نظر خود را اضافه کنید.
برای ارسال نظر وارد شوید
ارسال نظر بدون عضویت در سایت