ماذا سيحدث لجميع بطاريات الليثيوم القديمة ؟

 بينما يتطلع العالم إلى كهربة السيارات وتخزين الطاقة المتجددة ، يلوح في الأفق تحدٍ عملاق: ماذا سيحدث لجميع بطاريات الليثيوم القديمة.

نظرًا لأن الأزيز الهادئ للسيارات الكهربائية يحل تدريجياً محل الدورات والأبخرة الضارة لمحركات الاحتراق الداخلي ، فقد تم تعيين عدد من التغييرات للتصفية من خلال عالمنا المألوف. سوف تتلاشى الرائحة القوية لمحطات الوقود وتتحول إلى محطات شحن عديمة الرائحة حيث يمكن للسيارات إعادة عصر بطارياتها حسب الحاجة. وفي الوقت نفسه ، قد يتم تعديل مواقع المولدات التي تعمل بالغاز والتي تنتشر في الأفق لإيواء بطاريات ضخمة يمكنها يومًا ما تزويد مدن بأكملها بالطاقة المتجددة .

هذا المستقبل المكهرب هو أقرب بكثير مما تعتقد. أعلنت جنرال موتورز في وقت سابق من هذا العام أنها تخطط لوقف بيع السيارات التي تعمل بالغاز بحلول عام 2035 . هدف أودي هو التوقف عن إنتاجها بحلول عام 2033 ، والعديد من شركات السيارات الكبرى الأخرى تحذو حذوها. في الواقع ، وفقًا لـ BloombergNEF ، فإن ثلثي مبيعات سيارات الركاب في العالم ستكون كهربائية بحلول عام 2040. وأنظمة نطاق الشبكة في جميع أنحاء العالم تنمو بسرعة بفضل تكنولوجيا تخزين البطاريات المتقدمة .

في حين أن هذا قد يبدو وكأنه المسار المثالي للطاقة المستدامة والسفر على الطرق ، إلا أن هناك مشكلة واحدة كبيرة. حاليًا ، بطاريات الليثيوم (Li) أيون هي تلك المستخدمة عادةً في المركبات الكهربائية والبطاريات الضخمة المستخدمة لتخزين الطاقة من مصادر الطاقة المتجددة ، ويصعب إعادة تدوير بطاريات Li.

مع تصاعد الطلب على المركبات الكهربائية ، كما هو متوقع ، فإن الدافع لإعادة تدوير المزيد منها يتجه نحو صناعة البطاريات والسيارات

أحد الأسباب هو أن الطرق الأكثر استخدامًا لإعادة تدوير البطاريات التقليدية ، مثل بطاريات الرصاص الحمضية ، لا تعمل بشكل جيد مع بطاريات Li. وعادة ما تكون الأخيرة أكبر وأثقل وأكثر تعقيدًا بل وخطورة إذا تم تفكيكها بشكل خاطئ .
قد يعجبك ايضا:

أكبر بطاريات العالم

الاستخدام الجديد لمناجم الفحم القديمة

لماذا الدعاوى البيئية في ارتفاع؟

في مصنع إعادة تدوير البطاريات العادي الخاص بك ، يتم تقطيع أجزاء البطارية إلى مسحوق ، ثم يتم إذابة هذا المسحوق (استخلاص المعادن بالحرارة) أو إذابته في الحمض (استخلاص المعادن بالماء). لكن بطاريات Li تتكون من الكثير من الأجزاء المختلفة التي يمكن أن تنفجر إذا لم يتم تفكيكها بعناية. وحتى عندما يتم تفكيك بطاريات Li بهذه الطريقة ، ليس من السهل إعادة استخدام المنتجات.

يقول أندرو أبوت ، الكيميائي الفيزيائي بجامعة ليستر: "الطريقة الحالية المتمثلة في تقطيع كل شيء ببساطة ومحاولة تنقية خليط معقد تؤدي إلى عمليات باهظة الثمن مع منتجات منخفضة القيمة". ونتيجة لذلك ، فإن إعادة تدويرها يكلف أكثر من تعدين المزيد من الليثيوم لصنع أخرى جديدة. أيضًا ، نظرًا لأن الطرق الرخيصة لإعادة تدوير بطاريات Li على نطاق واسع متخلفة ، يتم إعادة تدوير حوالي 5 ٪ فقط من بطاريات Li على مستوى العالم ، مما يعني أن الغالبية ستضيع ببساطة.

ولكن مع تصاعد الطلب على المركبات الكهربائية ، كما هو متوقع ، فإن الدافع لإعادة تدوير المزيد منها يتجه نحو صناعة البطاريات والسيارات.

يتطلب استخراج ومعالجة الليثيوم كميات هائلة من الماء والطاقة ، وقد ارتبط بمشاكل بيئية بالقرب من منشآت الليثيوم (Credit: Alamy)

إن أوجه القصور الحالية في إعادة تدوير بطارية Li ليست السبب الوحيد في أنها تشكل إجهادًا بيئيًا. يتطلب تعدين المعادن المختلفة اللازمة لبطاريات Li موارد هائلة. يتطلب استخراج طن واحد من الليثيوم 500000 جالون (2273000 لتر) من المياه . في أتاكاما سالت فلاتس في تشيلي ، تم ربط تعدين الليثيوم بتراجع الغطاء النباتي ، وارتفاع درجات الحرارة أثناء النهار وزيادة ظروف الجفاف في مناطق المحميات الوطنية . لذلك على الرغم من أن المركبات الكهربائية قد تساعد في تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO2) على مدار حياتها ، فإن البطارية التي تمدها بالطاقة تبدأ حياتها محملة ببصمة بيئية كبيرة.

لم يعد بإمكاننا التعامل مع البطاريات على أنها يمكن التخلص منها - Shirley Meng

إذا  تم إعادة تدوير الملايين والملايين من بطاريات Li التي سيتم التخلص منها بعد حوالي 10 سنوات أو نحو ذلك من الاستخدام   بكفاءة أكبر ، فسوف يساعد ذلك في تحييد كل نفقات الطاقة هذه. تعمل العديد من المعامل على تحسين طرق إعادة التدوير الأكثر كفاءة بحيث تكون طريقة موحدة وصديقة للبيئة في النهاية لإعادة تدوير بطاريات Li جاهزة لتلبية الطلب المتزايد.

"علينا أن نجد طرقًا لجعلها تدخل ما نسميه دورة حياة دائرية ، لأن الليثيوم والكوبالت والنيكل يستهلكان الكثير من الكهرباء ويتطلبان الكثير من الجهد لاستخراجها وتكريرها وتحويلها إلى بطاريات. لم يعد بإمكاننا تعامل البطاريات على أنها يمكن التخلص منها "، كما تقول شيرلي مينج ، أستاذة تقنيات الطاقة في جامعة كاليفورنيا ، سان دييغو.
كيفية إعادة تدوير بطاريات Li
A خلية بطارية ليثيوم لديها الكاثود المعدن، أو القطب الموجب الذي يجمع الإلكترونات أثناء التفاعل الكهروكيميائي، مصنوعة من الليثيوم وبعض مزيج من العناصر التي تشمل عادة الكوبالت والنيكل والمنغنيز والحديد. يحتوي أيضًا على أنود ، أو القطب الكهربي الذي يطلق الإلكترونات إلى الدائرة الخارجية ، مصنوع من الجرافيت ، والفاصل والإلكتروليت من نوع ما ، وهو الوسيط الذي ينقل الإلكترونات بين الكاثود والأنود. تشكل أيونات الليثيوم التي تنتقل من الأنود إلى الكاثود تيارًا كهربائيًا. تعد المعادن الموجودة في الكاثود هي أكثر الأجزاء قيمة في البطارية ، وهذا ما يركز عليه الكيميائيون في الحفاظ عليها وتجديدها عند تفكيك بطارية Li.
يقول منغ إنه يفكر في بطارية Li مثل رف كتب متعدد الطبقات ، وتتحرك أيونات الليثيوم بسرعة عبر كل رف ، وتعود في كل مرة إلى الرف العلوي - وهي عملية تسمى الإقحام . بعد سنوات وسنوات ، يبدأ رف الكتب بشكل طبيعي في الانهيار والانهيار. لذلك عندما يقوم الكيميائيون مثل Meng بتفكيك بطارية Li ، فإن هذا هو نوع التدهور الذي يرونه في الهيكل والمواد.
"يمكننا في الواقع العثور على الآليات ، [و] إما باستخدام الحرارة أو نوع من طرق المعالجة الكيميائية ، يمكننا إعادة رف الكتب [معًا] ،" يقول مينج. "لذا يمكننا السماح لتلك المواد المعاد تدويرها والمجددة بالعودة إلى خط التجميع إلى مصانع [بطاريات Li] لتحويلها إلى بطاريات جديدة."

سيؤدي تحسين إعادة تدوير بطارية Li وجعل أجزائها قابلة لإعادة الاستخدام في النهاية إلى إعادة دمج القيمة في بطاريات Li الموجودة بالفعل. لهذا السبب يدافع العلماء عن عملية إعادة التدوير المباشرة التي يصفها منغ - لأنها يمكن أن تعطي أغلى أجزاء بطاريات Li ، مثل الكاثود والأنود ، حياة ثانية. هذا يمكن أن يعوض بشكل كبير الطاقة والنفايات والتكاليف المرتبطة بتصنيعها.

لكن تفكيك بطاريات Li يتم حاليًا في الغالب يدويًا في إعدادات المختبر ، والتي ستحتاج إلى التغيير إذا كان لإعادة التدوير المباشر التنافس مع طرق إعادة التدوير التقليدية. يقول أبوت: "في المستقبل ، ستكون هناك حاجة لمزيد من التكنولوجيا في التفكيك". "إذا تم تجميع البطارية باستخدام الروبوتات ، فمن المنطقي أن يتم تفكيكها بنفس الطريقة."

يقوم فريق أبوت في معهد فاراداي بالمملكة المتحدة بالتحقيق في التفكيك الآلي لبطاريات Li كجزء من مشروع ReLib ، المتخصص في إعادة تدوير بطاريات Li وإعادة استخدامها. وجد الفريق أيضًا طريقة لتحقيق إعادة التدوير المباشر للأنود والكاثود باستخدام مسبار فوق صوتي ، "مثل ما يستخدمه طبيب الأسنان لتنظيف أسنانك ،" يشرح. "إنه يركز الموجات فوق الصوتية على سطح مما ينتج عنه فقاعات صغيرة تنفجر من الداخل وتنسف الطبقة الخارجية عن السطح." تتجنب هذه العملية الاضطرار إلى تمزيق أجزاء البطارية ، مما قد يجعل استعادتها صعبة للغاية.

وفقًا لأبحاث فريق Abbott ، يمكن لطريقة إعادة التدوير بالموجات فوق الصوتية هذه معالجة مواد أكثر 100 مرة خلال نفس الفترة من طريقة المعالجة بالمياه المعدنية التقليدية . ويقول إنه يمكن أيضًا القيام بذلك بأقل من نصف تكلفة إنشاء بطارية جديدة من مادة عذراء.

يعتقد أبوت أن العملية يمكن تطبيقها بسهولة على نطاق واسع ، واستخدامها على بطاريات أكبر قائمة على الشبكة ، لأنها عادة ما تحتوي على نفس بنية خلية البطارية ، فهي تحتوي فقط على المزيد من الخلايا. ومع ذلك ، يقوم الفريق حاليًا بتطبيقه فقط على خردة الإنتاج ، والتي يسهل فصل الأجزاء عنها ، لأنها خالية بالفعل من أغلفةها. على الرغم من ذلك ، تتزايد اختبارات التفكيك الآلي التي أجراها الفريق. يقول أبوت: "لدينا وحدة توضيحية تعمل حاليًا على أقطاب كهربائية كاملة ونأمل أن نتمكن في الأشهر الثمانية عشر القادمة من عرض عملية مؤتمتة تعمل في منشأة إنتاج".

البطاريات القابلة للتحلل

يدعو بعض العلماء إلى الابتعاد عن بطاريات Li لصالح البطاريات التي يمكن إنتاجها وتفكيكها بطرق أكثر صداقة للبيئة. تعمل Jodie Lutkenhaus ، أستاذة الهندسة الكيميائية في جامعة Texas A&M ، على بطارية مصنوعة من مواد عضوية يمكن أن تتحلل عند القيادة.
يقول Lutkenhaus: "لا يتم إعادة تدوير العديد من البطاريات اليوم بسبب تكلفة الطاقة والعمالة المرتبطة بها". "البطاريات التي تتحلل عند الطلب قد تبسط أو تخفض الحاجز أمام إعادة التدوير. في النهاية ، يمكن إعادة تشكيل منتجات التحلل هذه إلى بطارية جديدة جديدة ، مما يؤدي إلى إغلاق حلقة دورة حياة المواد."
إنها حجة عادلة بالنظر إلى أنه حتى عندما يتم تفكيك بطارية Li وتجديد أجزائها ، ستظل هناك بعض الأجزاء التي لا يمكن حفظها وتصبح نفايات. يمكن أن تكون البطارية القابلة للتحلل مثل تلك التي يعمل عليها فريق Lutkenhaus مصدر طاقة أكثر استدامة.
كانت البطاريات العضوية الجذرية (ORBs) موجودة منذ 2000 ، وتعمل بمساعدة المواد العضوية التي يتم تصنيعها لتخزين وإطلاق الإلكترونات. يشرح لوتكينهاوس: "تحتوي البطارية العضوية الجذرية على مادتين من هذه [المواد] ، تعمل كلتاهما كقطب كهربائي ، وتعملان معًا لتخزين وإطلاق الإلكترونات ، أو الطاقة معًا".

يستخدم الفريق حمضًا لتقسيم ORBs إلى أحماض أمينية ومنتجات ثانوية أخرى ، ومع ذلك ، يجب أن تكون الظروف مناسبة تمامًا حتى تتحلل الأجزاء بشكل صحيح. يقول لوتكينهاوس: "وجدنا في النهاية أن الحمض عند درجة حرارة مرتفعة يعمل".

هناك عدد من التحديات التي تنتظر هذه البطارية القابلة للتحلل. المواد اللازمة لإنشائها باهظة الثمن ، ولا يزال يتعين عليها توفير مقدار الطاقة المطلوبة للتطبيقات عالية الطلب مثل المركبات الكهربائية وشبكات الطاقة. ولكن ربما يكون التحدي الأكبر للبطاريات القابلة للتحلل مثل وجه Lutkenhaus هو التنافس مع بطارية Li الراسخة بالفعل.

تتمثل الخطوة التالية للعلماء الذين يدفعون إعادة التدوير المباشر لبطاريات Li إلى الأمام مع مصنعي البطاريات ومصانع إعادة التدوير لتبسيط العملية من البناء إلى الانهيار.

يقول مينج: "نحن نشجع حقًا جميع مصنعي خلايا البطاريات على وضع الرموز الشريطية على جميع البطاريات ، لذلك باستخدام تقنيات الذكاء الاصطناعي الروبوتية ، يمكننا بسهولة فرز البطاريات". "يتطلب الأمر من المجال بأكمله التعاون مع بعضنا البعض من أجل تحقيق ذلك."

تُستخدم بطاريات Li لتشغيل العديد من الأجهزة المختلفة ، من أجهزة الكمبيوتر المحمولة إلى السيارات إلى شبكات الطاقة ، ويختلف التركيب الكيميائي تبعًا للغرض ، وأحيانًا يختلف بشكل كبير.

 يجب أن ينعكس هذا في طريقة إعادة تدويرها. يقول العلماء إن مصانع إعادة تدوير البطاريات يجب أن تفصل بطاريات Li المختلفة إلى تيارات منفصلة ، على غرار الطريقة التي يتم بها فرز أنواع مختلفة من البلاستيك عند إعادة التدوير ، حتى تكون العملية أكثر كفاءة. 
وعلى الرغم من أنهم يواجهون معركة شاقة ، إلا أن البطاريات الأكثر استدامة تظهر ببطء ولكن بثبات. يقول أبوت: "يمكننا أن نرى التصاميم تدخل السوق مما يجعل التجميع والتفكيك أسهل ، ومن المحتمل أن يكون هذا موضوعًا مهمًا في تطوير البطاريات في المستقبل".

على جانب الإنتاج ، يعمل مصنعو البطاريات والسيارات على تقليل المواد اللازمة لبناء بطاريات Li للمساعدة في تقليل نفقات الطاقة أثناء التعدين والمخلفات التي تولدها كل بطارية في نهاية عمرها الافتراضي.

بدأت شركات تصنيع السيارات الكهربائية أيضًا في إعادة استخدام بطارياتها الخاصة وإعادة توظيفها بعدد من الطرق المختلفة. على سبيل المثال ، تقوم نيسان بتجديد بطاريات السيارات الورقية القديمة ووضعها في مركبات موجهة آلية تجلب قطع الغيار إلى مصانعها.

مطبات السرعة للأمام

إن الطلب المتزايد باطراد في السوق على السيارات الكهربائية قد أدى بالفعل إلى إنفاق شركات في صناعة السيارات بمليارات الدولارات على زيادة استدامة بطاريات Li. ومع ذلك ، تعد الصين حاليًا أكبر منتج لبطاريات Li حتى الآن ، وبالتالي فهي متقدمة عندما يتعلق الأمر بإعادة تدويرها .

سيؤدي اعتماد طرق موحدة على نطاق واسع لإعادة تدوير بطاريات Li التي تتضمن تيارات الفرز لأنواع مختلفة إلى جعلها تقترب خطوة كبيرة. وفي الوقت نفسه ، فإن استخدام تقنية الذكاء الاصطناعي لتجديد الأجزاء الأكثر فائدة ، مثل الكاثود ، يمكن أن يساعد البلدان التي لديها إمدادات صغيرة من مكونات بطارية Li حتى لا تضطر إلى الاعتماد كثيرًا على الصين.

من المحتمل أيضًا أن يؤدي تطوير بطاريات جديدة قد تنافس بطارية Li إلى زعزعة الصناعة من خلال خلق بعض المنافسة الصحية. يقول مينج: "أعتقد أنه من الأفضل للعالم أن ننوع محفظة تخزين البطاريات ، لا سيما لتخزين الشبكة".

إن ظهور بطارية أقل تعقيدًا وأكثر أمانًا وأرخص صنعًا وأسهل للفصل في نهاية عمرها هو الحل النهائي لمشكلة الاستدامة الحالية مع المركبات الكهربائية. ولكن حتى تظهر مثل هذه البطارية ، فإن توحيد إعادة تدوير بطارية Li يعد خطوة مهمة في الاتجاه الصحيح.

وفي حوالي عام 2025 ، عندما تصل ملايين بطاريات المركبات الكهربائية إلى نهاية دورات حياتها الأولية ، ستبدو عملية إعادة التدوير المبسطة أكثر جاذبية للاقتصادات في جميع أنحاء العالم. لذلك ربما ، بحلول الوقت الذي تصبح فيه المركبات الكهربائية هي الشكل السائد للنقل ، ستكون هناك فرصة جيدة لأن تستعد بطارياتها لحياة ثانية.