إعادة تدوير الليثيوم

أدى التوسع في سوق بطاريات أيون الليثيوم إلى زيادة الطلب على مصادر الليثيوم، غير أن استخراج الليثيوم من الأرض ومن البحر يعاني من صعوبات كبيرة.

ومن هنا تأتي أهمية دراسة حديثة قام بها باحثون صينيون من جامعة هواتشونغ للعلوم والتكنولوجيا ونُشرت في مجلة «إلزفير» في 27 فبراير/‏ شباط الماضي، حيث نجحوا في استخراج الليثيوم النشط من بطاريات الليثيوم المستهلكة في عملية ترشيح كيميائي بسيطة وفعالة ومنخفضة في استهلاك الطاقة وفي درجة حرارة الغرفة.

ماذا نعرف عن بطاريات الليثيوم أيون؟

بطاريات الليثيوم أيون (إل آي بي إس) نوع من البطاريات القابلة لإعادة الشحن عن طريق انتقال أيونات الليثيوم من القطب السالب إلى القطب الموجب أثناء التفريغ، ثم تعود عند الشحن. وهي واحدة من أكثر أنواع البطاريات القابلة لإعادة الشحن شيوعا بالنسبة للإلكترونيات المحمولة، فهي تتميز بكثافة طاقة عالية وتفريغ ذاتي منخفض.

في أوائل السبعينيات طوّر «ستانلي ويتنغهام» أول بطارية ليثيوم وظيفية، وفي عام 1980، قام «جون جودنوف» بمضاعفة إمكانات البطارية، وفي 1985 نجح «أكيرا يوشينو» في الاعتماد على أيونات الليثيوم بدلا من الليثيوم النقي، لأن أيونات الليثيوم أكثر أمانا من الليثيوم النقي، مما جعل البطارية قابلة للتطبيق عمليا.

وفي 1991 بدأت إحدى شركات الإلكترونيات اليابانية الكبرى في بيع أولى بطاريات «الليثيوم أيون»، مما أدى إلى ثورة في مجال الإلكترونيات، وحققت بطاريات الليثيوم أيون فائدة كبيرة للبشرية، لأنها فتحت الطريق أمام تطوير أجهزة الحاسوب المحمولة والهواتف المحمولة والمركبات الكهربائية وتخزين الطاقة المولَّدة من الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.

وفي عام 2019 مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء إلى «جون بي جوديناف» و«إم ستانلي ويتنغهام» و«أكيرا يوشينو»، لمساهماتهم السابقة في تطوير بطارية أيون الليثيوم.

لماذا يحاول العلماء تطوير تقنيات لإعادة تدوير بطاريات الليثيوم المستهلكة؟

كان ظهور بطاريات الليثيوم أيون حلا مبتكرا لتخزين الطاقة المتجددة، مما خفف بشكل فعال من أزمات الطاقة المستمرة والتلوث البيئي، وأدى استعمالها الواسع في قطاعات متنوعة إلى دفع الطلب في السوق العالمية عليها.

لذا تضاعف الطلب على الليثيوم، وهو العنصر الأساسي في هذه البطاريات، ومع ذلك فإن عقبات استخراج الليثيوم من الأرض والبحر من حيث طبيعة أماكن الاستخراج وتقنيات الاستخراج المتأخرة والتلوث البيئي الناتج؛ تسببت بالكثير من المشكلات في توريد الكميات الكافية من الليثيوم.

وتشير التوقعات إلى أن كميات بطاريات الليثيوم أيون المستهلكة ستتجاوز 11 مليون طن بحلول عام 2030. وعدم الاستفادة من هذه البطاريات المستهلكة لا يؤدي إلى هدر كبير للموارد فحسب، بل يؤدي أيضا إلى عواقب بيئية كبيرة. ولهذه الأسباب فإن تطوير تقنيات لإعادة تدوير بطاريات الليثيوم المستهلكة واستخدام الليثيوم الموجود بها لتصنيع بطاريات جديدة أمر مهم لتقليل الطلب على المواد الخام وكذلك للحفاظ على البيئة.

ما الطرق الحالية لاستخراج الليثيوم؟

أهم طريقة سائدة لإعادة تدوير البطاريات المستهلكة في الوقت الحالي هي الطريقة الحرارية التقليدية لاستخلاص المعادن من الماء، والتي تستخدمها العديد من الشركات على نطاق واسع بسبب ملاءمتها الكبيرة للتطبيق.

ولكن معالجة المعادن الحرارية تستلزم صهرا بدرجات حرارة عالية ومعدات محددة، مما يؤدي إلى استنزاف موارد الليثيوم والطاقة، إلى جانب انبعاث غازات ملوثة للبيئة.

كما تَستخدم هذه الطريقة المائية أحماضا وقلويات قوية ككواشف ترشيح، مما يتطلب مراحل وإجراءات معقدة ومتعددة للحصول على منتجات عالية النقاء، وينتج عن هذه الطريقة توليد مياه صرف هائلة.

ويستلزم استخراج الليثيوم من كاثود البطاريات بهذه الطريقة التقليدية خطوات مثل الترشيح والترسيب والفصل والتنقية، ولهذه الأسباب كان من الضروري تطوير طرق إعادة تدوير جديدة وصديقة للبيئة ومنخفضة الطاقة وفعالة اقتصاديا.

وبعكس الطريقة المستخدمة حاليا، فإن الطريقة التي تقدمها الدراسة الجديدة تقوم على إعادة التدوير المباشر لليثيوم النشط من البطاريات المستهلكة بخطوة واحدة وفي ظروف درجة الحرارة المحيطة، ويمكن بعدها استخدام الليثيوم المستخرج في تصنيع بطاريات جديدة. وهذه الطريقة آمنة بيئيا وتحقق كفاءة استخلاص تتجاوز 93%. وتُجرى هذه العملية باستخدام محلول يحتوي كواشف من «الهيدروكربونات العطرية» متعددة الحلقات ومذيبات الأثير.

هل من فوائد أخرى للّيثيوم المستخرج؟

يمكن للّيثيوم النشط المستعاد أن يُستخدم في صناعة بطاريات أخرى غير بطاريات الليثيوم أيون، فيمكن استخدامه مباشرة للتفاعل مع فوسفات الحديد من خلال تفاعلات الأكسدة والاختزال التلقائية، وبالتالي تحضير مواد فوسفات حديد الليثيوم عالية الأداء.

وأكدت اختبارات التوصيف الفيزيائي الكيميائي والأداء الكهروكيميائي تفوق المواد المحضرة بهذه الإستراتيجية، كما أن إعادة تدوير الليثيوم من البطاريات التجارية يسّرت إعداد مواد «كاثود فوسفات حديد الليثيوم» على نطاق واسع وبشكل يمكن أن يلبي المتطلبات التجارية للسوق، مما يبشر بآفاق واسعة للتطبيق العملي لهذه الطريقة.

هل تتسبب عملية استخراج الليثيوم بأي مضار على البيئة؟

تعمل طريقة استخراج الليثيوم ضمن نظام حلقة مغلقة، مما يقلل من احتمالية التلوث البيئي، وبالإضافة إلى ذلك يمكن إعادة تدوير كواشف استخلاص الليثيوم لإعادة استخدامها.

وبالمقارنة مع تقنيات إعادة التدوير الأخرى، تتمتع هذه التقنية بفوائد اقتصادية جيدة وآفاق عملية، ومن المتوقع أن تعزز التنمية المستدامة لبطاريات الليثيوم أيون.

ولاختيار الكاشف الأمثل المناسب للاستخراج فحص الباحثون سلسلة من الكواشف ذات إمكانات الأكسدة والاختزال المختلفة ومدى ذوبانها بناء على الخصائص الهيكلية الجزيئية، ودرسوا آليات ربطها بالليثيوم.