زمان آن رسیده است که بازیافت باتری‌های لیتیوم یون را جدی بگیریم

مقدمه

باتری‌های لیتیوم یونی تقریبا در تمام وسایل الکترونیکی قابل حمل مانند لپتاپ و تلفن همراه و … وجود دارد و قرار است استفاده از این باتری‌ها در خودروهای الکتریکی نیز فراگیر شود. این روند موجب تولید میلیون‌ها تن باتری لیتیوم یون فرسوده تا چند سال آینده می‌شود. از طرفی پیش‌بینی‌ها در افزایش فروش خودروهای الکتریکی نشان می‌دهد باید به فکر حفظ منابع طبیعی و رسیدگی به مشکل پایان یافتن این منابع باشیم. این مشکلات و سایر مسائل بازیافت باتری‌ها را به موضوعی ارزشمند تبدیل می‌کند. ولی ما شاهد آن هستیم که به دلیل عوامل فنی، اقتصادی و غیره، امروزه کمتر از 5 درصد از باتری‌های فرسوده بازیافت می‌شوند. بنابراین مصرف بیش از اندازه و قابل پیش‌بینی باتری‌ها در آینده‌ای نزدیک، محققان را وادار کرده است که به دنبال جستجوی استراتژی‌های مقرون‌به‌صرفه و سازگار با محیط‌زیست برای بازیافت باتری‌های لیتیوم یونی فرسوده باشند.

بازیافت باتری لیتیوم یونی

همانطور که تعداد وسایل نقلیه الکتریکی افزایش می‌یابد، تعداد باتری‌های لیتیوم یونی فرسوده نیز افزایش می‌یابد. تحلیلگران صنعتی پیش بینی می‌کنند که تا سال 2030،  میزان تولید باتری‌های لیتیوم یون مستعمل در سراسر جهان به 2 میلیون تن در سال خواهد رسید.

بنابراین یکی از بزرگ‌ترین مسائلی که باعث بازیافت باتری‌های لیتیوم یون می‌شود، مدیریت ضایعات است اما این درست نیست که بگوییم تمام باتری‌هایی که امروزه تولید می‌شوند به زباله تبدیل می‌شوند. زمانی که یک باتری لیتیوم یونی به پایان عمر خود می‌رسد، هنوز حدود 80 درصد از شارژ خود را حفظ می‌کند. اگرچه این باتری برای استفاده در یک وسیله نقلیه الکتریکی کارایی ندارد، اما برای کاربردهای مختلف مانند ذخیره انرژی مناسب است. این باتری‌های عمر دوم را می‌توان حداقل برای 10 سال استفاده کرد. این نوع استفاده مجدد در وهله اول به بازیافت ارجحیت دارد، زیرا آنها بسیار ارزشمند هستند و بازیافت پرهزینه است. استفاده مجدد از باتری‌های کارکرده می‌تواند در ارزش افزوده و فراهم کردن زمان برای صنعت بازیافت نقش داشته باشد تا زیرساخت‌های لازم برای بازیافت باتری‌ها آماده شود.. اما انتظار می‌رود تعداد کل باتری‌های لیتیوم یونی که تا سال 2040 ساخته می‌شود به 7.8 میلیون تن در سال برسد، و پیش بینی می‌شود که میزان این عرضه بیشتر از تقاضای آن‌ها به عنوان باتری‌های عمر دوم باشد، بنابراین همه باتری‌ها قابلیت استفاده مجدد را نخواهند داشت. همچنین باتری‌هایی که منشأ ناشناخته دارند، یا آن‌هایی که در تصادف تخریب شده‌اند، فوراً به بازیافت نیاز دارند. و البته، باتری‌های عمر دوم نیز در نهایت از بین می‌روند. بنابراین داشتن یک رویکرد دوراندیشانه برای بازیافت باتری‌ها به منظور مدیریت ضایعات و حفظ ذخایر مواد حیاتی لازم و ضروری است.

باتری‌های لیتیوم یونی قابل بازیافت دارای فلزات با ارزشی هستند که می‌توان آن‌ها را بازیابی، پردازش و استفاده مجدد کرد. اما امروزه بازیافت بسیار کمی انجام می‌شود و بیشتر این باتری‌ها در محل دفن زباله‌ها جمع می‌شوند. به عنوان مثال، به گفته نائومی جی. باکسال، دانشمند محیط زیست در سازمان تحقیقات علمی و صنعتی مشترک المنافع استرالیا (CSIRO)، در استرالیا تنها 2 تا 3 درصد از باتری‌های لیتیوم یونی جمع آوری و برای بازیافت به خارج از ساحل فرستاده می‌شود. نرخ بازیافت در اتحادیه اروپا و ایالات متحده نیز کمتر از 5 درصد است.

لیندا ال. گینز از آزمایشگاه ملی آرگون می‌گوید: دلایل زیادی وجود دارد که به موجب آن‌ها فرآیند بازیافت باتری‌های لیتیوم یونی به یک روش جهانی تبدیل نشده است. گینز که متخصص در تجزیه و تحلیل مواد تشکیل دهنده باتری‌ها و طول عمر آن‌ها است، می گوید که این دلایل شامل محدودیت‌های فنی، موانع اقتصادی، مسائل لجستیکی و شکاف‌های نظارتی است.

از آنجایی که صنعت باتری لیتیوم یونی برنامه روشنی برای بازیافت اقتصادی باتری‌های فرسوده در مقیاس‌های بزرگ ندارد، محققان و تولیدکنندگان باتری نیز بر روی بهبود قابلیت بازیافت آن‌ها تمرکز نکرده‌اند. در عوض، آن‌ها بر روی مسائلی مانند: کاهش هزینه‌ها، افزایش طول عمر باتری و افزایش ظرفیت شارژ کار کرده‌اند. از آنجایی که محققان پیشرفت کمی در زمینه بهبود روش‌های مربوط به بازیافت باتری‌ها داشته‌اند، تعداد نسبتا کمی از باتری‌های لیتیوم یونی بازیافت می‌شوند.

بیشتر باتری‌هایی که بازیافت می‌شوند، تحت فرآیندهایی مانند ذوب و استخراج و یا حتی ذوب در دمای بالا -مشابه موارد مورد استفاده در صنعت معدن- قرار می‌گیرند. این عملیات، که در تأسیسات تجاری بزرگ – برای مثال در آسیا، اروپا و کانادا – انجام می‌شود انرژی زیادی مصرف می‌کند. همچنین ساخت و بهره برداری از این نیروگاه‌ها پرهزینه است و به تجهیزات پیچیده‌ای برای حذف گازهای گلخانه‌ای مضری که در فرآیند ذوب باتری‌ها تولید می‌شود نیاز دارد. علاوه بر هزینه‌های بالا، این کارخانه‌ها همه مواد با ارزش موجود در باتری را بازیابی نمی‌کنند.

تاکنون، بیشتر کارهایی که برای بهبود بازیافت باتری‌های لیتیوم یونی انجام شده است، محدود به چند گروه تحقیقاتی دانشگاهی می‌شود که عموما به طور مستقل کار می‌کنند، ولی این روند در حال تغییر است. حجم عظیم باتری‌های لیتیوم یونی فرسوده که به زودی از وسایل نقلیه الکتریکی قدیمی و وسایل الکترونیکی قابل حمل به دست خواهند آمد، شرکت‌های نوپا را به جهت سوق داده است که فناوری بازیافت باتری را تجاری سازی کنند. همچنین تعداد بیشتری از دانشمندان شروع به مطالعه در این زمینه کرده‌اند و تعداد دانشجویان فارغ التحصیل و فوق دکترای تازه آموزش دیده در زمینه بازیافت باتری افزایش یافته است. علاوه بر این، برخی از کارشناسان باتری، همکاری‌های بزرگ و چند وجهی را برای مقابله با مشکل پیش رو شروع کرده‌اند.

برای مثال، اولین مرکز تحقیق و توسعه بازیافت باتری لیتیوم یون، مرکز ReCell در ایالات متحده تشکیل شد. به گفته مدیر برنامه ReCell، اهداف کلیدی این مرکز سودآور کردن بازیافت باتری لیتیوم یون و همچنین کمک به کاهش وابستگی ایالات متحده به منابع خارجی کبالت و سایر مواد باتری است. این مرکز حدود 50 محقق دارد که در شش آزمایشگاه و دانشگاه ملی فعالیت می‌کنند. همچنین افرادی مانند تولید کنندگان باتری و تجهیزات خودرو، تامین کنندگان مواد مورد نیاز باتری و سایر شرکای صنعتی این مرکز را همراهی می‌کنند.

از دیگر تلاش‌ها در زمینه بازیافت باتری می‌توان به این موضوع اشاره کرد که، در همان زمان تاسیس این مرکز، دپارتمان انرژی (DOE) جایزه 5.5 میلیون دلاری برای بازیافت باتری در نظر گرفت. هدف این برنامه تشویق کارآفرینان به یافتن راه حل‌های نوآورانه برای جمع آوری و ذخیره باتری‌های Li-ion فرسوده و انتقال آن‌ها به مراکز بازیافت بود که اولین گام در تبدیل باتری‌های قدیمی به باتری‌های جدید بود.

همچنین در سال 2018، محققان بریتانیا به منظور بهبود بازیافت باتری‌های لیتیوم یونی، به‌ویژه از وسایل نقلیه الکتریکی، سرمایه گذاری مشترک بزرگی را تشکیل دادند. پروژه بازیافت باتری‌های لیتیوم یونی (ReLiB) حدود 50 دانشمند و مهندس را در هشت موسسه دانشگاهی گرد هم آورده و شامل 14 شریک صنعتی می‌شود.

مزایای بازیافت باتری

متخصصان باتری و متخصصان محیط زیست دلایل زیادی را برای بازیافت باتری‌های لیتیوم یون ارائه می‌دهند.

• مواد بازیافت شده را می‌توان برای ساخت باتری‌های جدید استفاده کرد و در نتیجه هزینه‌های ساخت باتری را کاهش داد. در حال حاضر، این مواد بیش از نیمی از هزینه باتری را تشکیل می‌دهند. قیمت دو فلز کاتدی، کبالت و نیکل، در سال‌های اخیر به‌طور قابل‌توجهی نوسان داشته است، این دو فلز گران‌ترین اجزای سازنده باتری هستند.

در بسیاری از انواع باتری‌های لیتیوم یون، غلظت این فلزات، به همراه لیتیوم و منگنز، از غلظت سنگ معدن طبیعی نیز فراتر می رود، بنابراین باتری‌های فرسوده تا چند سال آینده به معدنی غنی از این ترکیبات تبدیل می‌شوند. اگر بتوان این فلزات را در مقیاس‌های بزرگ از باتری‌های فرسوده استخراج کرد و این کار را نسبت به استخراج از سنگ معدن‌های طبیعی با هزینه کمتری انجام داد، می‌توان قیمت باتری‌ها و وسایل نقلیه الکتریکی کاهش داد.

• علاوه بر مزایای اقتصادی، با این روش می‌توان مقدار موادی که به عنوان زباله دفن می‌شوند را کاهش داد. ژی سان، متخصص کنترل آلودگی در آکادمی علوم چین می‌گوید کبالت، نیکل، منگنز و سایر فلزات موجود در باتری‌ها می‌توانند به راحتی از بدنه باتری‌های دفن شده نشت کنند و موجب آلودگی خاک و آب‌های زیرزمینی شوند و بنابراین اکوسیستم‌ها و سلامت انسان را به خطر بیاندازند. همچنین نمک‌های لیتیوم فلوراید (LiPF6) که به طور رایج در الکترولیت باتری‌های لیتیوم یونی استفاده می‌شود می‌تواند موجب اینچنین آلودگی‌هایی شود.

باتری‌ها نه تنها در پایان عمر خود بلکه مدت‌ها قبل از تولید نیز می‌توانند اثرات منفی زیست محیطی داشته باشند. بازیافت باتری بیشتر از معنای ظاهری آن به استخراج کمتر مواد خام و در نتیجه به کاهش آسیب زیست محیطی اشاره دارد. به عنوان مثال، استخراج برخی از فلزات باتری نیاز به پردازش سنگ معدن با سولفید فلزی دارد، این فرآیند انرژی بر است و منجر به انتشار گاز SOx می‌شود که این به نوبه خود منجر به تولید باران اسیدی می‌شود.

• استخراج کمتر مواد خام مورد نیاز باتری از معادن مربوطه می‌تواند مانع از کاهش منابع این مواد شود. محققان دریافتند که ذخایر جهانی لیتیوم و نیکل برای تولید نسل آینده باتری کافی هستند، ولی این فرآیند می‌تواند ذخایر جهانی کبالت را بیش از 10 درصد کاهش دهد.
• همچنین هزینه‌های سیاسی و جنبه‌هایی منفی وجود دارد که بازیافت باتری‌های لیتیوم یون می‌تواند موجب حل آن‌ها شود. بر اساس گزارش CSIRO، 50 درصد از تولید کبالت در جهان از جمهوری دموکراتیک کنگو تامین می‌شود که با درگیری‌های مسلحانه، استخراج غیرقانونی معادن، نقض حقوق بشر و اقدامات مضر زیست‌محیطی همراه است. بازیافت باتری‌ها و همچنین فرمول‌بندی کاتد با مقادیر پایین کبالت می‌تواند موجب کاهش وابستگی به چنین منابع مشکل‌سازی شود.

شکل 1. یک سلول کیسه‌ای فرسوده را می‌توان برای تولید چندین محصول از جمله کربن آند خرد کرد.

چالش‌ها در بازیافت باتری‌های لیتیوم یونی

نوسانات زیاد در قیمت مواد خام باتری، موجب ایجاد شک و تردید در میان فعالان در زمینه بازیافت باتری می‌شود. برای مثال، کاهش شدید در قیمت کبالت سؤالات زیادی را در مورد اینکه آیا بازیافت باتری‌های لیتیوم یون انتخاب تجاری خوبی است یا خیر، در ذهن این افراد ایجاد می‌کند. اساسا، اگر قیمت کبالت کاهش یابد، کبالت بازیافتی از نظر قیمت برای رقابت با کبالت استخراج شده با مشکل مواجه می‌شود و تولیدکنندگان مواد استخراج شده از معادن را به مواد بازیافت‌شده ترجیح می‌دهند و بازیافت‌کنندگان را مجبور می‌کنند از این تجارت خارج شوند. یکی دیگر از نگرانی‌های مالی شرکت‌هایی که قصد دارند به تجارت بازیافت باتری وارد شوند این است که آیا انواع متفاوت باتری‌ها، مانند باتری لیتیوم هوا و یا یک سیستم محرکه خودروی متفاوت، مانند سلول‌های سوختی هیدروژنی، جایگاه بزرگی را در بازار خودروی الکتریکی به دست خواهند آورد.

علم شیمی موجود در باتری‌ها نیز فرآیند بازیافت را پیچیده می‌کند. از اوایل دهه 1990 که شرکت سونی باتری‌های لیتیوم یونی را تجاری کرد، محققان بارها ترکیب کاتد را برای کاهش هزینه و افزایش ظرفیت شارژ، طول عمر، زمان شارژ مجدد و سایر پارامترهای عملکرد تنظیم کردند.

تعدادی از باتری‌های لیتیوم یونی از کاتدهای ساخته شده از اکسید کبالت لیتیوم (LCO) استفاده می‌کنند. تعدادی از باتری‌ها نیز از اکسید لیتیوم نیکل منگنز کبالت (NMC)، اکسید لیتیوم نیکل کبالت آلومینیوم، لیتیوم آهن فسفات یا مواد دیگر به عنوان ماده فعال کاتدی استفاده می‌کنند. از طرفی نسبت اجزای تشکیل دهنده یک نوع کاتد – برای مثال NMC – می‌تواند به طور قابل توجهی در بین تولید کنندگان متفاوت متغییر باشد. لیانگ آن، متخصص بازیافت باتری در دانشگاه پلی‌تکنیک هنگ کنگ، می‌گوید: نتیجه این است که باتری‌های لیتیوم یونی حاوی تنوع گسترده‌ای از مواد هستند که همچنان در حال تکامل‌اند و این موضوع فرآیند بازیافت را به چالش می‌کشد. بنابراین بازیافت‌کنندگان ممکن است نیاز به دسته‌بندی و جداسازی باتری‌ها بر اساس ترکیب داشته باشند که موجب پیچیده‌تر شدن این فرآیند و افزایش هزینه‌های آن می‌شود.

از جمله عوامل دیگر که بازیافت را به چالش می‌کشد ساختار باتری‌ها است. باتری‌های لیتیوم یونی دستگاه‌های فشرده و پیچیده‌ای هستند که در اندازه‌ها و شکل‌های مختلف تولید می‌شوند و برای اینکه بتوان دوباره اجزای آن را جداسازی کرد طراحی نشده‌اند.

هر سلول حاوی کاتد، آند، جداکننده و الکترولیت است. کاتدها به طور کلی از یک پودر فعال الکتروشیمیایی (LCO، NMC و غیره) به دست می‌آیند. این پودر با کربن سیاه مخلوط شده و با استفاده از یک ترکیب پلیمری مانند پلی وینیلیدین فلوراید (PVDF) به یک جمع کننده جریان آلومینیومی چسبانده می‌شود. آندها نیز معمولا حاوی گرافیت، PVDF و فویل مسی هستند. جداکننده‌هایی که بین الکترودها به منظور جلوگیری از اتصال کوتاه قرار می‌گیرند، فیلم‌های پلاستیکی نازک و متخلخلی هستند که اغلب از جنس پلی اتیلن یا پلی پروپیلن هستند. الکترولیت معمولا ترکیبی از اتیلن کربنات و دی متیل کربنات به عنوان حلال، LiPF₆ به عنوان نمک و موادی به عنوان افزودنی است که با یکدیگر مخلوط شده‌اند. اجزاء باتری به طور محکم در همدیگر پیچیده می‌شوند و یا روی هم قرار می‌گیرند و به طور ایمن در یک جعبه پلاستیکی یا آلومینیومی بسته بندی می‌شوند.

بسته‌های بزرگ باتری که در وسایل نقلیه الکتریکی به کار می‌روند ممکن است حاوی چندین هزار سلول باشد. این بسته‌ها همچنین شامل حسگرها، دستگاه‌های ایمنی و مدارهایی هستند که عملکرد باتری را کنترل می‌کنند، که همه آن‌ها موجب پیچیدگی بیشتر و ایجاد هزینه‌های اضافی برای فرآیند بازیافت این باتری‌ها می‌شوند.

تمام این اجزاء و مواد باتری باید توسط یک بازیافت کننده جدا شوند تا بتواند به فلزات با ارزش و سایر مواد دست یابد. در مقابل، اجزای سازنده باتری‌های سرب اسیدی موجود در خودروها به راحتی از هم جدا می‌شوند و سرب که حدود 60 درصد وزن باتری را تشکیل می دهد، می‌تواند به سرعت از سایر اجزا جدا شود. در نتیجه، نزدیک به 100 درصد از سرب موجود در این باتری‌ها در ایالات متحده بازیافت می‌شود، که بسیار بیشتر از نرخ بازیافت شیشه، کاغذ و سایر مواد است.

بهبود روش‌های بازیافت

امروزه در چندین تاسیسات بزرگ در زمینه پیرومتالورژی یا ذوب، باتری‌های لیتیوم یون را بازیافت می‌کنند. این واحدها که اغلب در دمایی نزدیک به 1500 درجه سانتیگراد کار می‌کنند، کبالت، نیکل و مس را بازیابی می‌کنند اما لیتیوم، آلومینیوم و یا هر ترکیب آلی را که می سوزدد را بازیابی نمی‌کنند. این نوع بازیافت به دلیل نیاز به حذف ترکیبات سمی فلوئور که در طی فرآیند ذوب منتشر می‌شوند، تا حدودی هزینه‌بر هستند.

امروزه، فرآوری مواد به روش هیدرومتالورژی و یا با استفاده از روش لیچینگ شیمیایی که در حال حاضر به صورت تجاری در چین انجام می‌شود، به عنوان جایگزینی با انرژی کمتر و روشی کم هزینه‌تر برای بازیافت باتری‌ها معرفی می‌شوند. این روش‌ها برای استخراج و جداسازی فلزات کاتدی، معمولا در دمای زیر 100 درجه سانتیگراد به کار گرفته می‌شوند و می‌توانند لیتیوم و مس را علاوه بر سایر فلزات واسطه بازیابی کنند. یکی از معایب روش‌های سنتی لیچینگ این است که این فرآیند به مواد خورنده مانند اسیدهای هیدروکلریک، نیتریک، سولفوریک و پراکسید هیدروژن نیاز دارد.

محققان در مطالعات آزمایشگاهی پیشرفت‌های بالقوه‌ای را در این روش‌ها به دست آورده‌اند، ولی تعداد معدودی از شرکت‌ها آزمایش‌های بازیافت را در مقیاس صنعتی انجام می‌دهند. در منطقه ونکوور، بریتیش کلمبیا، یک کارخانه آمریکایی که منگنز را فرآوری می‌کند، در هر ساعت 1 کیلوگرم ضایعات کاتد را به یک پیش ماده تبدیل می‌کند که سازندگان می‌توانند از آن برای سنتز مواد کاتد تازه استفاده کنند. منظور از ضایعات، پودر کاتد خارج شده از باتری‌های فرسوده است.

مدیر فنی این شرکت بیان می‌کند، فرآیندی که برای شستن  فلزات کاتدی در این شرکت به کار می‌رود بر پایه دی اکسید گوگرد است و از اسید هیدروکلریک یا پراکسید هیدروژن استفاده نمی‌کند.

اریک گراتز، مدیر عامل شرکت Ascend Elements در ورچستر گفته است که، ماساچوست یک کارخانه آزمایشی راه اندازی می‌کند که در هر روز تقریبا 0.5 تن متریک باتری لیتیوم یونی را پردازش می‌کند و به طور فعال در تلاش است تا ظرفیت را تا 10 برابر افزایش دهد. بسیاری از روش‌های بازیافت فعلی ترکیبات تک فلزی متعددی را تولید می‌کنند که باید برای ساخت مواد کاتدی جدید ترکیب شوند. شرکت Ascend Elements مخلوطی از نیکل، منگنز و هیدروکسید کبالت را رسوب می‌دهد. این پیش ساز کاتد آماده سازی باتری را ساده می‌کند و می‌تواند هزینه‌های تولید را کاهش دهد.

در همین حال، تیم ReCell، مربوط به دپارتمان انرژی، در حال پیگیری روش‌های بازیافت مستقیم باتری هستند تا بتوانند بازیابی و استفاده مجدد از مواد باتری را بدون پردازش‌های پرهزینه انجام دهند. برای بازیافت باتری نیاز به مراحلی از جمله: حذف الکترولیت با دی اکسید کربن فوق بحرانی، سپس خرد کردن سلول و جداسازی فیزیکی اجزا است. در واقع، تقریبا همه اجزاء باتری را می‌توان پس از این پردازش ساده دوباره استفاده کرد. از آنجایی که در این روش از اسیدها یا دیگر معرف‌های خطرناک استفاده نمی‌شود، مورفولوژی و ساختار بلوری مواد کاتد دست نخورده باقی می‌ماند و مواد خواص الکتروشیمیایی خود را حفظ می‌کنند. گینز می‌گوید برای اجرایی کردن رویکرد صرفه‌جویی در هزینه، به کار بیشتری نیاز است.

شکل 2. بازیافت کامل باتری مراحل زیادی را می طلبد

در پروژه ReLiB دانشگاه بیرمنگام، محقق اصلی آن، پل اندرسون می‌گوید که تیم بازیافت باتری اعتقاد دارند که بازیافت باتری به روش اتوماسیون کارایی اقتصادی بیشتری خواهد داشت. برای این منظور، این تیم در حال توسعه روش‌های رباتیک برای مرتب‌سازی، جداسازی و بازیابی مواد با ارزش از باتری‌های لیتیوم یونی هستند. آلن والتون، محقق دانشگاه بیرمنگام، می‌افزاید که استفاده از دستگاه‌های رباتیک برای جدا کردن باتری‌ها می‌تواند خطر آسیب‌های الکتریکی و شیمیایی را برای کارگران انسانی از بین ببرد. او می‌گوید که اتوماسیون همچنین می‌تواند منجر به جداسازی بیشتر اجزای باتری و افزایش خلوص و ارزش آن‌ها شود.

اگرچه بیشتر این استراتژی‌ها در مراحل اولیه هستند، اما نیاز به آن‌ها در حال افزایش است. در حال حاضر، تعداد باتری‌های فرسوده مربوط به خودروهای الکتریکی کم است، اما تعداد آن‌ها در حال افزایش سرسام‌آور است.