دانشمندان روشی برای احیای باتری‌های فرسوده خودروهای برقی ابداع کردند

یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های پیش روی خودروها برقی، فرسودگی باتری در گذر زمان است. پژوهشگران دانشگاه کرنل روش جدیدی برای بازیابی باتری‌های لیتیوم یونی ابداع کرده‌اند که برخلاف روش‌های متداول بازیافت، نیازی به تجزیه باتری به مواد تشکیل دهنده آن ندارد.

مشکل اصلی بسیاری از باتری‌های لیتیوم یونی با افزایش عمر، تشکیل لایه‌ای به نام به SEI (Solid Electrolyte Interphase) روی سطح الکترودها است. تشکیل مقداری از این لایه برای عملکرد باتری ضروری است، اما با ضخیم‌تر شدن آن، حرکت الکترون‌ها دشوارتر می‌شود و ظرفیت باتری کاهش پیدا می‌کند.

یکی دیگر از چالش‌های باتریهای لیتیومی این است که بازیافت آنها معمولاً نیازمند تخریب کامل آنها برای تجزیه باتری به مواد تشکیل دهنده است. روش بازیابی جدید محققان دانشگاه کرنل، راه حلی برای هر دو مشکل پیدا کرده است.

بر اساس این پژوهش، روش تازه‌ای به نام «بازسازی مستقیم الکترود به الکترود» یا DEER پیشنهاد شده است که طی آن سلول‌های باتری فرسوده ابتدا باز می‌شوند و الکترودها در یک محلول الکتروشیمیایی حاوی ماده‌ای به نام DMI قرار می‌گیرند. این فرایند لایه ضخیم SEI را از سطح الکترود جدا می‌کند، بدون اینکه ساختار اصلی الکترود از بین برود. الکترود احیاشده سپس می‌تواند برای ساخت سلول‌های باتری جدید مورد استفاده قرار گیرد.

بازگشت ۹۵ درصدی ظرفیت باتری

پژوهشگران گزارش کرده‌اند که سلول‌های بایافتی توانسته‌اند تا ۹۵ درصد ظرفیت اولیه خود را بازیابی کنند. همچنین نرخ افت ظرفیت آن‌ها پس از احیا کاهش یافته است. باتری‌های فرسوده بدون عملیات احیا، به‌طور میانگین در هر چرخه ۰.۰۷۲ درصد از ظرفیت خود را از دست دادند، در حالی که این رقم برای باتری‌های بازسازی‌شده با DEER به ۰.۰۴۲ درصد رسید. این نرخ کاهش‌یافته برای حدود ۸۰۰ چرخه حفظ شد.

جالب اینکه حتی امکان تکرار این فرایند نیز وجود دارد. در آزمایش دیگری، انجام مرحله دوم احیا روی یک باتری که قبلاً بازسازی شده بود، ظرفیت آن را دوباره به حدود ۹۰ درصد ظرفیت اولیه رساند.

تفاوت با روش‌های رایج بازیافت

در بسیاری از فرایندهای تجاری، باتری‌های فرسوده خرد و به ماده‌ای موسوم به Black Mass تبدیل می‌شوند. سپس با استفاده از حرارت بالا یا مواد شیمیایی، فلزاتی مانند لیتیوم، کبالت، نیکل، منگنز، مس و آلومینیوم از آن استخراج می‌شوند.

این روش‌ها امکان بازیابی مواد ارزشمند را فراهم می‌کنند، اما در عین حال الکترودها و دیگر اجزای باتری را که شاید هنوز قابل استفاده باشند، از بین می‌برند. DEER رویکرد متفاوتی دارد و به‌جای تمرکز بر استخراج مواد اولیه، تلاش می‌کند قطعه قابل استفاده باتری را حفظ کند.

این فناوری می‌تواند برای باتری خودروهای برقی اهمیت ویژه‌ای داشته باشد. باتری‌های خودروهای برقی معمولاً زمانی که ظرفیت آن‌ها به حدود ۷۰ تا ۸۰ درصد ظرفیت اولیه می‌رسد، ممکن است از خودرو خارج شوند؛ با این حال، بخش‌هایی از الکترودهای آن‌ها همچنان قابلیت استفاده دارند.

محدودیت‌های بازیابی باتری‌ها با روش DEER

البته DEER برای تمام باتری‌های فرسوده مناسب نیست. این روش زمانی بیشترین کاربرد را دارد که افت عملکرد عمدتاً ناشی از تجمع SEI باشد. باتری‌هایی که با کاهش شدید لیتیوم، ترک‌خوردگی مواد تشکیل دهنده، آسیب ساختاری یا مشکلات مکانیکی مواجه شده‌اند، همچنان به روش‌های متداول بازیافت نیاز خواهند داشت.

از سوی دیگر، این فرایند فعلاً به بازکردن باتری و خارج‌کردن الکترودها نیاز دارد. تلاش پژوهشگران برای تزریق مستقیم محلول DMI به سلول‌های سالم نتیجه مطلوبی نداشت.

برآورد دانشگاه کرنل نشان می‌دهد هزینه بازیافت با DEER می‌تواند حدود ۱۵.۲۵ دلار به ازای هر کیلوگرم باشد؛ در مقابل، هزینه بازیافت با روش‌های معمول حدود ۲۶.۳۱ دلار برآورد شده است. البته حدود ۶۳ درصد هزینه DEER مربوط به محلول DMI است و بازیابی و استفاده مجدد از این ماده می‌تواند هزینه نهایی را کاهش دهد.

نتایج این پژوهش در مجله Energy & Environmental Science منتشر شده است.