تقشير فوسفات الليثيوم والحديد من رقائق الألومنيوم باستخدام تفريغ كهربائي نابضي بدون حرارة أو ماء أو مكونات كيميائية

لماذا تهم هذه القصة المتعلقة بالبطاريات

بطاريات فوسفات الليثيوم والحديد (LFP) تتحول إلى العمود الفقري للحافلات الكهربائية، والسيارات الكهربائية منخفضة التكلفة، وأنظمة تخزين الطاقة المنزلية لأنها آمنة، ومتينة، ورخيصة نسبياً. لكن عندما تنتهي صلاحية هذه البطاريات، يصبح فصل طبقاتها الملتصقة بإحكام دون هدر المواد أو التسبب في تلوث أمراً أصعب مما يبدو. يقدم هذا البحث طريقة لتقشير المادة النشطة للبطارية عن سندها المعدني باستخدام نبضة كهربائية دقيقة فقط—بدون أفران، بدون مياه غسيل، وبدون مواد كيميائية قاسية—مما يفتح مساراً لإعادة تدوير أنظف وأرخص.

نظرة أقرب داخل صفائح البطارية

يبنى كاثود بطارية LFP كطبقات على شكل ساندويتش. تعمل ورقة رفيعة من رقائق الألومنيوم كجامع للتيار، وفوقها طبقة أسمك تحتوي جسيمات LFP، ومادة لاصقة بوليمرية تربط المكونات معاً، وقليل من الكربون لمساعدة توصيل الكهرباء. في نفايات المصانع والبطاريات المستعملة على حد سواء، تلتصق هذه الطبقة المركبة بإحكام بالألومنيوم، لذا يلجأ المعيدون عادة إلى الطحن أو الحرق أو الحمامات الكيميائية لفصلهما. يمكن أن تتلف تلك الأساليب البنية البلورية لـ LFP، أو تلوثها بشظايا ألومنيوم، أو تحوّلها إلى مركبات حديدية أقل قيمة، مما يعني أن المادة غالباً ما لا يمكن إعادتها مباشرة إلى بطاريات جديدة.

التقشير بالنبضات بدلاً من الحرارة والكيماويات

جرب الباحثون فكرة مختلفة: إرسال نبضة كهربائية عالية الجهد واحدة على طول صفيحة الكاثود بينما تكون مشدودة بين أقطاب معدنية في الهواء. تدفع النبضة تياراً كبيراً لكنه قصير جداً يمر في الغالب عبر رقائق الألومنيوم، مما يسخّن الواجهة بين الرقائق وطبقة LFP من الداخل. أظهرت نمذجة الحاسب أنه عند الطاقة المناسبة (حوالي 0.59 جول لكل ميليغرام من القطب)، يمكن للواجهة أن تصل لفترة وجيزة إلى درجات حرارة كافية لإذابة اللاصق البوليمري دون المبالغة في تسخين بقية الصفيحة. عندما يلين اللاصق وتتوسع المناطق الساخنة والباردة بطرق مختلفة، تتولد إجهادات ميكانيكية عبر سماكة الطبقة المركبة، مما يساعد طبقة طلاء LFP على الانفصال نظيفة عن الرقاقة كورقة متماسكة.

كيف يغير تاريخ البطارية طريقة الانفصال

لفهم كيف يؤثر الشيخوخة في العالم الحقيقي على هذه العملية، قارن الفريق ثلاثة أنواع من الكاثودات: نفايات مصنع غير مستخدمة بلا إلكتروليت، خلايا مستهلكة "طازجة" شهدت تدهوراً طفيفاً، وخلايا متقدمة في الشيخوخة. عولجت كلها تقريباً بطاقة نبضة متشابهة. احتاجت نفايات المصانع إلى أعلى طاقة لتحقيق فصل يزيد عن 98 في المئة، لأنها تفتقر إلى أملاح إلكتروليت متبقية قد تساعد في إضعاف الترابط. في الخلايا المستعملة الأحدث، تحللت آثار أملاح الليثيوم المتبقية في المسام تحت التسخين القصير وأنتجت أنواعاً نشطة تحتوي على فلورين هاجمت اللاصق عند الواجهة، مما أعطى تقشيراً ممتازاً على مدى طاقات واسع. أما في الخلايا المتدهورة أكثر، فقد تكونت ترسبات موضعية خلال سنوات من الدورات أعاقت مسارات التيار، مسببة تسخيناً غير متكافئ وترك مناطق أكثر غير منفصلة عند طاقات أدنى.

الحفاظ على المسحوق القيّم نظيفاً وسليماً

كشفت الميكروسكوبية والتحليل الكيميائي أنه، على عكس الطحن أو المعالجة عند درجات حرارة عالية، تترك الطريقة النابضة طلاء LFP سليمًا إلى حد كبير وخالٍ من تلوث الألومنيوم (أقل من 0.1 في المئة بالوزن في كل الاختبارات). أظهرت قياسات الأشعة السينية قبل المعالجة وبعدها أن مواضع وشدّات قمم حيود LFP لم تتغير جوهرياً، مما يعني أن الإطار البلوري بقي سليماً. لوحظت تغيّرات سطحية محدودة مرتبطة بالتدهور السابق وتفاعلات الإلكتروليت في بعض العينات المستعملة. والأهم أن طبقة LFP انفصلت غالباً كورقة مستمرة بدلاً من أن تتفتت، مما يقلل الحاجة إلى خطوات تنظيف أو فرز إضافية لاحقاً.

اختبار المادة المعاد تدويرها في خلية جديدة

للتحقق مما إذا كانت هذه المادة المستعادة بلطف يمكن أن تعمل فعلاً في بطارية جديدة، صنع الفريق كاثودات جديدة مزجت 10 في المئة من مسحوق LFP المعاد من عملية النبض مع 90 في المئة من المسحوق النقي. عند اختبارها في خلايا عملة، أعطت هذه الأقطاب المختلطة سعة تفريغ 148 ملي أمبير-ساعة لكل غرام بمعدل معتدل، مطابقة تقريباً للخلايا المصنوعة بالكامل من LFP جديد. أظهرت قياسات المقاومة الكهربائية وطيف المعاوقة فروقاً طفيفة فقط، مما يشير إلى أن النبضة الكهربائية القصيرة لم تُدخل عيوباً ضارة أو تبطئ حركة الشحنة داخل القطب.

ماذا يعني هذا لإعادة التدوير مستقبلاً

بالنسبة لغير المتخصصين، النتيجة الأساسية بسيطة: صدمة كهربائية سريعة يمكن أن تقشر طبقة LFP المفيدة عن سندها من الألومنيوم بشكل أنيق، في درجة حرارة الغرفة وبدون إضافة ماء أو مواد كيميائية، مع الحفاظ على المادة جيدة بما يكفي لإعادة استخدامها في بطاريات جديدة. وبما أن الطريقة تستهلك طاقة قليلة ولا تولد نفايات سائلة، يمكن أن تكون خطوة أولى فعالة في "إعادة التدوير المباشر"، حيث يتم استرداد مادة الكاثود القيّمة مع الحفاظ على بنيتها في الغالب بدلاً من تفكيكها وإعادة بنائها من الصفر. ومع استعداد بطاريات LFP للهيمنة على العديد من أسواق المركبات الكهربائية وتخزين الشبكات، قد تلعب مثل هذه التقنيات ذات التأثير المنخفض دوراً رئيسياً في جعل دورة حياة البطارية أكثر دائرية واستدامة.

الاستشهاد: Tokoro, C., Kurihara, T., Narita, A. et al. Delamination of lithium iron phosphate from aluminum foil using electrical pulsed discharge without heat, water, or chemicals. Sci Rep 16, 12627 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39469-5

الكلمات المفتاحية: إعادة تدوير فوسفات الليثيوم والحديد, تقشير كاثود البطارية, تفريغ كهربائي نابضي, إعادة التدوير المباشر للبطاريات, بطاريات أيون الليثيوم المستدامة