إعادة التدوير المباشر لمواد الكاثود الفعالة في بطاريات الليثيوم أيون المنتهية العمر عبر المسار الهيدروترمالي

لماذا لا تزال بطاريات السيارات القديمة مهمة

تعتمد السيارات الكهربائية على بطاريات ليثيوم أيون تحتوي على معادن ثمينة مثل النيكل والمنغنيز والكوبالت والليثيوم. ومع وصول ملايين هذه البطاريات إلى نهاية عمرها التشغيلي، يواجه العالم تحدياً مزدوجاً: كيفية تجنب أكوام من النفايات السامة وفي الوقت نفسه تقليل اعتمادنا على التعدين الجديد. تستكشف هذه الدراسة طريقة لـ"إصلاح" أحد أهم أجزاء هذه البطاريات — مادة الكاثود — بحيث يمكن استخدامها مجدداً في بطاريات جديدة بطاقة وتلوث وتكلفة أقل بكثير من طرق التدوير الحالية.

من مشكلة نفايات إلى حلقة من الموارد

يرى المؤلفون حزم بطاريات نهاية العمر على أنها مورد استراتيجي بدلاً من مجرد نفاية. إن معدلات التدوير الحالية في أوروبا بعيدة عن المستوى المطلوب مع توسع السيارات الكهربائية، وتعتمد الطرق التقليدية على الصهر بدرجات حرارة عالية أو أحماض قوية. هذه العمليات تستعيد بعض المعادن فقط، وغالباً ما تفقد الليثيوم، وتستهلك الكثير من الطاقة وتنتج تيارات نفايات إضافية. بالمقابل، يهدف النهج المدروس هنا — المسمى التدوير المباشر — إلى الحفاظ على بنية الكاثود إلى حد كبير وإعادة ما فُقد أثناء الاستخدام فقط. وهذا ذو صلة خاصة لمادة كاثود مستخدمة على نطاق واسع تعرف باسم NMC622، الموجودة في سيارات كهربائية تجارية مثل Hyundai KONA.

إصلاح لطيف لمادة بطارية مرهقة

بدلاً من طحن كل شيء إلى عناصر أساسية، يبدأ الفريق من خلايا بطارية سيارات حقيقية متدهورة ويفصل بعناية مسحوقاً نقيّاً يحتوي على مادة الكاثود فقط. ثم يستخدمون عملية مائيّة تُسمى إعادة تلحيم هيدروترمالي: يُخلط المسحوق مع محلول غني بالليثيوم، ويُغلق في وعاء ضغط عند درجة حرارة معتدلة، ثم يُخضع لاحقاً لمعالجة حرارية قصيرة عند درجة حرارة أعلى. خلال هذه السلسلة، تتدفق أيونات الليثيوم إلى داخل الجسيمات المستنفدة وتُرتب البنية البلورية، مما يعيد قدرة المادة على تخزين وإطلاق الطاقة. عبر تصميم مجموعة منظّمة من التجارب، يغير الباحثون تركيز الليثيوم ودرجة الحرارة وزمن التفاعل لمعرفة أي تركيبة تُصلح المادة بأفضل شكل.

إيجاد النقطة المثلى في وصفة الإصلاح

تُظهر القياسات الدقيقة أن مسحوق الكاثود الابتدائي ناقص في الليثيوم ويملك سطحاً متضرراً ومراحل إضافية غير مرغوب فيها لم تعد تعمل جيداً في البطارية. بعد المعالجة، تستعيد أفضل العينات بنية بلورية طبقية نظيفة قريبة جداً من NMC622 التجارية الجديدة. يكشف التحليل الإحصائي أن تركيز الليثيوم ودرجة الحرارة يلعبان الدور الأكبر في الإصلاح الناجح، بينما يعتمد تأثير الزمن على كمية الليثيوم المتاحة. من النتائج الرئيسية أن الشروط الألطف — 160 °م، محلول ليثيوم نسبيًا مركز، ومعاملة قصيرة لمدة ساعة — تنتج مادة مرتبة جيداً بعيوب أقل، وحركة ليثيوم أفضل ومقاومة كهربائية أقل من العينات المعالجة لفترات أطول.

اختبار الكاثودات المُعاد بناؤها

لمعرفة ما إذا كانت المساحيق المعاد إصلاحها تتصرف حقاً مثل الجديدة، يبني المؤلفون خلايا اختبار بحجم عملة ويقارنونها مباشرة بكاثود NMC622 تجاري. تقدم أفضل عينة مُجدّدة قدرات تفريغ قريبة من المادة الجديدة، تحافظ على نحو 80% من سعتها بعد 50 دورة شحن–تفريغ، وتتحمل معدلات شحن أعلى بشكل مدهش — فعند أسرع معدل مختبر، تتفوق حتى على المرجع التجاري. تظهر عينات مُجدّدة أخرى تعرضت لمعالجات أشد مزيداً من خلط الذرات داخل البلورة وحركة أبطأ لليثيوم، ما يترجم إلى مقاومة داخلية أعلى وفقدان أداء أسرع. يربط هذا المقارنة جنباً إلى جنب شروط المعالجة بالتركيب المجهري ومن ثم بسلوك البطارية في العالم الحقيقي.

بطاريات أنظف لمستقبل دائري

بخلاف استعادة الأداء، يقدم مسار الإصلاح الهيدروترمالي مزايا بيئية واقتصادية قوية. وبما أنه يعمل عند درجات حرارة أقل ويتجنب الأحماض العدوانية، فإنه يستهلك جزءاً بسيطاً فقط من طاقة طرق التدوير السائدة وينتج انبعاثات غازات دفيئة ونفايات خطرة أقل بكثير. يُعاد استخدام تقريباً كامل الكاثود مباشرة، بدلاً من تفكيكه وإعادة بنائه من الصفر. تستنتج الدراسة أن التدوير المباشر الأمثل لكاثودات غنية بالنيكل مثل NMC622 يمكن أن يندمج بسلاسة في مصانع البطاريات المستقبلية، مما يقلل الحاجة إلى مناجم جديدة ويساعد على جعل السيارات الكهربائية جزءاً حقيقياً من نظام طاقة دائري ومنخفض الأثر.

الاستشهاد: Castro, J., Gómez, M., Acebes, P.J. et al. Direct recycling of end-of-life lithium-ion batteries cathode active materials by hydrothermal route. Sci Rep 16, 11594 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41973-7

الكلمات المفتاحية: إعادة تدوير بطاريات الليثيوم أيون, تجديد الكاثود, إعادة تلحيم هيدروترمالي, بطاريات السيارات الكهربائية, الاقتصاد الدائري