فناوری جدید دانشگاه کرنل باتری‌های فرسوده لیتیومی را تا ۹۵ درصد احیا می‌کند

افزایش انفجاری استفاده از خودروهای برقی و دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل، جهان را با چالشی بزرگ به نام انباشت باتری‌های فرسوده لیتیوم‌یونی روبه‌رو کرده است. بیشتر این باتری‌ها زمانی از چرخه مصرف خارج می‌شوند که هنوز بخش زیادی از مواد و ساختار داخلی آن‌ها سالم است و تنها به دلیل افت ظرفیت کنار گذاشته می‌شوند. اکنون تیمی از دانشمندان دانشگاه کرنل آمریکا راهکاری پیشگامانه معرفی کرده‌اند که می‌تواند این معادله را به طور کامل تغییر دهد.

روش DEER چیست و چرا اهمیت دارد؟

روش جدید که با عنوان «احیای مستقیم الکترود به الکترود» یا به اختصار DEER شناخته می‌شود، برخلاف فرآیندهای سنتی بازیافت، نیازی به تخریب کامل سلول باتری و استخراج مواد خام ندارد. در روش‌های مرسوم پیرومتالورژی و هیدرومتالورژی، باتری به طور کامل خرد و ذوب می‌شود تا فلزاتی مانند لیتیوم، کبالت و نیکل بازیابی شوند؛ فرآیندی پرهزینه، انرژی‌بر و آلاینده.

در مقابل، DEER تنها بر احیای شیمیایی الکترودهای داخلی تمرکز دارد. بسیاری از باتری‌های لیتیوم‌یونی زمانی پایان عمر تلقی می‌شوند که ظرفیت آن‌ها به ۷۰ تا ۸۰ درصد مقدار اولیه رسیده باشد. در این مرحله، افت عملکرد عمدتاً ناشی از تشکیل لایه‌ای به نام SEI یا «فصل مشترک الکترولیت جامد» روی سطح الکترودهاست. این لایه به مرور زمان ضخیم شده و مانند سدی در برابر حرکت الکترون‌ها و یون‌های لیتیوم عمل می‌کند.

محققان کرنل دریافتند با حذف هدفمند همین لایه مزاحم می‌توان بخش عمده‌ای از ظرفیت از دست‌رفته را بازگرداند، بدون آنکه نیازی به ساخت دوباره باتری از صفر باشد.

احیا با حمام شیمیایی DMI

اساس کار DEER، غوطه‌ور کردن الکترودهای خارج‌شده از باتری فرسوده در یک حمام الکتروشیمیایی ویژه است. این حمام حاوی ترکیبی به نام ۱،۳-دی‌متیل-۲-ایمیدازولیدینون (DMI) است که به صورت انتخابی لایه SEI انباشته‌شده را حل و حذف می‌کند.

نکته هوشمندانه این فرآیند تنها پاکسازی نیست. در جریان واکنش، یک لایه بسیار نازک و پایدار از فلوراید لیتیوم روی سطح الکترود تشکیل می‌شود. این لایه جدید نقش محافظ را ایفا می‌کند و سرعت تشکیل مجدد SEI را در چرخه‌های شارژ و دشارژ بعدی به شکل قابل توجهی کاهش می‌دهد.

• بازگشت ۹۵ درصدی ظرفیت: باتری‌های احیا شده با این روش توانستند تا ۹۵ درصد ظرفیت اولیه خود را بازیابند.
• کاهش نرخ تخریب: نرخ افت ظرفیت در هر چرخه از ۰.۰۷۲ درصد به ۰.۰۴۲ درصد کاهش یافت.
• افزایش طول عمر: باتری‌های ترمیم‌شده تا حدود ۸۰۰ چرخه شارژ، عملکردی پایدار و نزدیک به باتری نو داشتند.
• قابلیت تکرار: حتی پس از افت دوباره، یک مرحله احیای مجدد می‌تواند ظرفیت را تا ۹۰ درصد بازگرداند.

مزیت اقتصادی و زیست‌محیطی

یکی از مهم‌ترین برتری‌های DEER، صرفه اقتصادی آن است. برآورد پژوهشگران نشان می‌دهد هزینه بازیافت با این روش حدود ۱۵.۲۵ دلار برای هر کیلوگرم باتری است، در حالی که روش‌های سنتی بین ۲۶ تا ۲۷ دلار هزینه دارند. این اختلاف در مقیاس صنعتیِ میلیون‌ها باتری خودروی برقی، صرفه‌جویی هنگفتی به همراه دارد.

علاوه بر این، محلول DMI به کار رفته در حمام شیمیایی، قابل بازیافت است. به گفته تیم تحقیقاتی، با بهینه‌سازی و استفاده مجدد از این محلول می‌توان هزینه‌ها را تا ۶۳ درصد دیگر نیز کاهش داد. این ویژگی، DEER را از یک فرآیند یک‌بار مصرف به یک چرخه پایدار و کم‌پسماند تبدیل می‌کند و مصرف انرژی و تولید آلاینده را به حداقل قرب می‌کند‌کند.

با وجود نتایج درخشان آزمایشگاهی، پژوهشگران تأکید می‌کنند که DEER راه‌حلی جهانی برای همه انواع خرابی باتری نیست. این فناوری تنها زمانی مؤثر است که علت اصلی افت ظرفیت، تجمع لایه SEI باشد.

در مواردی مانند از دست رفتن غیرقابل بازگشت لیتیوم فعال، ترک‌خوردگی ذرات الکترود، خوردگی کلکتورها یا آسیب‌های مکانیکی و حرارتی، این روش کارایی ندارد. بنابراین تمرکز اصلی DEER بر باتری‌های خودروهای برقی است که به دلیل استانداردهای سخت‌گیرانه خودروسازان، معمولاً در همان بازه ۷۰ تا ۸۰ درصد ظرفیت از خودرو جدا می‌شوند، در حالی که از نظر ساختاری هنوز سالم هستند.

چالش دیگر، مقیاس‌پذیری است. آزمایش‌ها نشان داد تزریق مستقیم محلول DMI به داخل سلول بدون باز کردن و جداسازی الکترودها، نتیجه مطلوبی ندارد. بنابراین فرآیند فعلی نیازمند جداسازی دقیق، شست‌وشو و فرآوری الکترودهای فرسوده است؛ مرحله‌ای که در محیط آزمایشگاه به خوبی کنترل می‌شود اما پیاده‌سازی آن در کارخانه‌های بزرگ بازیافت به اتوماسیون دقیق و پروتکل‌های ایمنی نیاز دارد.

چشم‌انداز آینده برای انقلاب خودروهای برقی

با سرعت گرفتن گذار جهانی به حمل‌ونقل الکتریکی، به‌ویژه در بازارهای عظیمی مانند چین که هم‌اکنون با کوهی از باتری‌های بازنشسته خودروهای برقی مواجه است، نیاز به روش‌های بازیافت پایدار بیش از هر زمان دیگری احساس می‌شود. اگر DEER بتواند از مقیاس آزمایشگاهی به خط تولید صنعتی برسد، می‌تواند بازیافت را از یک صنعت استخراج‌محور به یک صنعت بازسازی‌محور تبدیل کند.

تبدیل باتری فرسوده به باتری تقریباً نو در مدت زمان کوتاه‌تر، با انرژی کمتر و هزینه پایین‌تر، نه تنها فشار بر معادن لیتیوم و کبالت را کاهش می‌دهد، بلکه به کاهش قیمت نهایی خودروهای برقی و افزایش اعتماد مصرف‌کنندگان نیز کمک خواهد کرد. دانشگاه کرنل اعلام کرده است گام بعدی، همکاری با شرکای صنعتی برای آزمایش DEER روی پک‌های بزرگ باتری خودرو و بهینه‌سازی بازیافت محلول DMI است.

در نهایت، فناوری DEER نشان می‌دهد که پایان عمر باتری لزوماً به معنای مرگ آن نیست؛ بلکه می‌تواند آغازی دوباره برای چرخه‌ای پایدارتر در اقتصاد انرژی پاک باشد.