تعظيم استخدام الطاقة وكفاءة استخلاص الليثيوم عبر التأكسد الكهروكيميائي الثنائي المتسلسل والتسريب-الاسترخاء

لماذا لا تزال بطاريات السيارات القديمة مهمة

تغذي بطاريات الليثيوم-أيون هواتفنا وحواسيبنا المحمولة وبشكل متزايد سياراتنا الكهربائية. ولكن مع وصول ملايين حزم المركبات الكهربائية إلى نهاية عمرها، تتكوّن نوع جديد من النفايات — وفرصة جديدة أيضاً. الليثيوم والمعادن الأخرى المحتجزة داخل البطاريات المستهلكة ذات قيمة لكنها تتطلب طاقة كبيرة لاسترجاعها. تستكشف هذه الدراسة طريقة أذكى لسحب الليثيوم باستخدام الكهرباء بكفاءة أكبر، مما يخفض التكاليف والأثر البيئي مع تلبية الطلب العالمي المتزايد على مواد البطاريات.

تحويل البطاريات المهملة إلى مورد

اليوم، تعتمد معظم عمليات إعادة تدوير بطاريات الليثيوم-أيون الصناعية على مواد كيميائية قاسية أو أفران عالية الحرارة. قد تستعيد هذه الطرق المعادن، لكنها كثيراً ما تهدر الطاقة وتجعل من الصعب فصل الليثيوم نظيفاً عن النيكل والكوبالت والمنغنيز في ما يُعرف ببطاريات NCM. ركز الباحثون على مسار أحدث وأنظف: استخدام تيار كهربائي في ماء مالح لسحب الليثيوم من مادة القطب المستهلكة. طرحوا سؤالاً بسيطاً لكنه حاسم: هل يمكن إعادة ترتيب توقيت وكيفية استخدام الكهرباء بحيث يساعد كل واط تقريباً في إزالة الليثيوم بدلاً من أن يضيع في تفاعلات جانبية؟

رقصة من خطوتين: الدفع ثم الهدوء

صمّم الفريق عملية من مرحلتين تجمع بين «دفع» نشط و«نقع» هادئ. في المرحلة الأولى، المسماة التأكسد الكهروكيميائي الثنائي، يُطبق جهد ثابت عبر خلية تحتوي على قطب NCM مستهلك ومحلول كلوريد الصوديوم. يسحب التيار أيونات الليثيوم من الصلب إلى السائل بينما يكوّن أيضاً أنواعاً مؤكسدة قوية في المحلول. وجد العلماء أن معظم العمل المفيد يحدث في الساعة الأولى: يغادر الليثيوم البنية البلورية بسرعة في البداية، لكن لاحقاً يهدر جزء كبير من الطاقة في تفاعلات جانبية مثل تطاير غاز الأكسجين.

ترك الكيمياء تُكمل المهمة

بدلاً من تشغيل الطاقة لفترات أطول، قام الباحثون ببساطة بإيقافها وتركوا القطب منقوعاً في محلول الملح المؤكسد الناتج. بشكل مفاجئ، استمر الليثيوم في الانتشال حتى تمت إزالته تقريباً بالكامل — محققاً نحو 99% استرداد لمواد NCM الطازجة وحوالي 98% لأقطاب مستخدمة حقيقية. أظهرت القياسات التفصيلية أن ذرات الأكسجين داخل البلورة، التي دفعت مؤقتاً إلى حالة أكثر نشاطاً أثناء المرحلة الكهربائية، أصبحت المحرك الخفي في هذه المرحلة الثانية الهادئة. عززت هذه الأنواع المؤكسدة «المفعّلة» عملية تبادل بطيئة: انتشرت أيونات الليثيوم إلى السائل بينما انزلقت أيونات الصوديوم (أو البوتاسيوم) من المحلول إلى الفراغات، وكل ذلك دون إدخال طاقة كهربائية إضافية.

كيف تعيد البنية البلورية ترتيب نفسها

باستخدام مجاهر إلكترونية، وانكسار الأشعة السينية وطيفية، راقب الفريق جزيئات القطب وهي تتشقق وتترقق وتتغير في التكدُّس الداخلي أثناء مغادرة الليثيوم. انتقلت المادة عبر عدة تراصيف طبقية معروفة أثناء تحولها من غنية بالليثيوم إلى فقيرة بالليثيوم، ثم انتهت بصورة غنية بالصوديوم حافظت على البنية لكن لم تعد تحتوي على الكثير من الليثيوم. طوال هذه العملية، بدلت ذرات النيكل والكوبالت حالات شحنتها للحفاظ على توازن المادة كهربائياً، بينما بقي المنغنيز إلى حد كبير دون تغيير، مما ساعد على استقرار الإطار. وأظهر الباحثون أيضاً أن أيونات البوتاسيوم، التي تتخلص من جزيئات الماء الخاصة بها بسهولة أكبر من الصوديوم، يمكن أن تسرّع خطوة تبادل الأيونات أكثر.

من منصة المختبر إلى أرض المصنع

لاختبار ما إذا كانت هذه الفكرة قابلة للتطبيق خارج المختبر، بنى الفريق نظاماً تجريبياً قادراً على معالجة نصف كيلوغرام من نفايات البطاريات الحقيقية لكل دفعة. باستخدام طريقتهم من المرحلتين، استردوا أكثر من 98% من الليثيوم على شكل كربونات ليثيوم عالية النقاء، صالحة لصنع بطاريات جديدة. والأهم من ذلك، أنه لأنه يتم إيقاف الطاقة بمجرد انطلاق «الكيمياء الذكية»، استهلكت العملية نحو نصف الطاقة الكهربائية مقارنةً بطريقة كهروكيميائية أحادية المرحلة قياسية، موفرة أكثر من خمس الأرباح التشغيلية الإجمالية لكل طن من مادة القطب المعاد تدويرها.

ما يعنيه ذلك للبطاريات المستقبلية

بعبارة بسيطة، تُظهر الدراسة أننا لا نحتاج دائماً إلى استمرار ضخ الكهرباء لاسترداد المواد القيمة من البطاريات القديمة. يمكن لاندفاع طاقة محكم التوقيت أن يُعِد المادة والمحلول بحيث تتم بقية المهمة من تلقاء نفسها، مدفوعة بقوى كيميائية داخلية. إذا تم اعتماد هذا النهج على نطاق واسع، فقد يجعل إعادة تدوير الليثيوم من بطاريات NCM المستهلكة أرخص وأنظف وأكثر جاذبية للصناعة، مما يساعد على إغلاق دورة حياة البطارية وتخفيف الضغط على تعدين الليثيوم الجديد.

الاستشهاد: Zhong, W., Gu, X., Feng, X. et al. Maximizing energy utilization and lithium leaching efficiency via sequential electrochemical dual-oxidation and soaking-relaxation. Nat Commun 17, 2050 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69834-x

الكلمات المفتاحية: إعادة تدوير الليثيوم, نفايات البطاريات, استخلاص موفر للطاقة, أقطاب NCM, استرجاع كهروكيميائي