מקסום ניצול האנרגיה ויעילות ליוצ׳ינג ליתיום באמצעות חמצון אלקטרוכימי דו‑שלבי ואימביבציה‑הרפיה

למה סוללות רכב ישנות עדיין חשובות

סוללות ליתיום‑יון מספקות אנרגיה לטלפונים, למחשבים ניידים ולמכוניות יותר ויותר. אך כאשר מיליוני חבילות סוללות לרכבים חשמליים מגיעות לסוף מחזור החיים שלהן, הן יוצרות סוג חדש של פסולת — וגם הזדמנות חדשה. הליתיום ומתכות נוספות הכלואות בתוך הסוללות המשומשות בעלי ערך, אך החזרתן צורכת הרבה אנרגיה. המחקר הזה בוחן דרך חכמה יותר להחזרת הליתיום באמצעות חשמל ביעילות גבוהה יותר, תוך הקטנת עלויות והשפעה סביבתית ובמקביל מענה לדרישה הגוברת של העולם לחומרי סוללות.

הפיכת סוללות פסולות למשאב

כיום, רוב המיחזור התעשייתי של סוללות ליתיום‑יון מסתמך על כימיקלים קשים או על תנורים בטמפרטורות גבוהות. שיטות אלה יכולות להחזיר מתכות, אך לעיתים מבזבזות אנרגיה ומקשות על הפרדת הליתיום מניקל, קובלט ומנגן בקטודות מסוג NCM. החוקרים התמקמו במסלול חדש ונקי יותר: שימוש בזרם חשמלי במים מלוחים כדי לשלוף את הליתיום מחומר הקטודה המשומש. הם שמו לעצמם שאלה פשוטה אך קריטית: האם אפשר לשנות את זמני האספקה ואת אופן השימוש בחשמל כך שכל וואט כמעט תמיד יסייע בהסרת הליתיום במקום להיאבד בתגובות צדדיות?

ריקוד דו‑שלבי: כוח ואז שקט

הצוות תיכנן תהליך בשני שלבים שמשלב "דחיפה" פעילה ו"השרייה" שקטה. בשלב הראשון, שנקרא חמצון אלקטרוכימי דו‑שלבי, מוחלת מתח קבוע על תא המכיל קטודת NCM משומשת ותמיסת נתרן‑כלוריד. הזרם מושך יוני ליתיום מהמוצק אל הנוזל ובו־זמנית יוצר סוגי חמצון עזים בתמיסה. המדענים מצאו שרוב העבודה המועילה מתרחשת בשעה הראשונה: הליתיום יוצא ממבנה הגביש במהירות בתחילת התהליך, אך בהמשך חלק גדול מהאנרגיה מבוזבזת על תגובות צדדיות כמו היווצרות בועות חמצן.

להשאיר לכימיה להשלים את העבודה

במקום להמשיך להפעיל את המתח שוב ושוב, החוקרים כבו אותו והשאירו את האלקטרודה להשרייה בתמיסת המלח שהפכה לחמצנית. באופן מפתיע, הליתיום המשיך להתחלף עד שכמעט הכול הוצא — השג זה הגיע לכ‑99% התאוששות לחומר NCM טרי וכ‑98% בקטודות משומשות אמיתיות. מדידות מפורטות הראו כי אטומי החמצן בתוך הגביש, שהועברו זמנית למצב של תגובה גבוה במהלך שלב ההפעלה, שימשו כמניע הנסתר בשלב השקט הזה. סוגי החמצן ה"מופעלים" האלה קידמו חילוף אטי: יוני ליתיום דיפזו החוצה אל הנוזל בעוד יוני נתרן (או אשלגן) מהפתרון החדרו למקומות הפנויים, וכל זאת ללא צריכת חשמל נוספת.

כיצד מבנה הגביש משתנה

באמצעות מיקרוסקופים אלקטרוניים, דיפרקציית קרני‑X וספקטרוסקופיה, הצוות צפה בחלקיקי הקטודה שסדקו, הדקו ושינו את הסידור הפנימי שלהם כאשר הליתיום עזב. החומר עבר מספר סידורים שכבתיים ידועים כאשר הוא עבר מעשיר ליתיום לעני ליתיום, וסיים בצורה עשירה בנתרן ששמרה על שלמות המבנה אך כבר לא כללה כמות משמעותית של ליתיום. לאורך כל התהליך ניקל וקובלט שינו את מצבי המטען שלהם כדי לשמור על איזון חשמלי כולל בחומר, בעוד שמנגן נשאר ברובו ללא שינוי ותמך ביציבות המסגרת. החוקרים גם הראו שיוני אשלגן, המאבדים את מולקולות המים שלהם ביתר קלות מאשר נתרן, יכולים להאיץ אף יותר את שלב חילוף היונים.

מן ספסל המעבדה לרצפת המפעל

כדי לבחון האם הרעיון יכול לפעול מחוץ למעבדה, הצוות בנה מערכת פיילוט שיכולה לטפל בחצי קילוגרם פסולת סוללות אמיתית בכל מחזור. באמצעות השיטה הדו‑שלבית שלהם הם החזירו מעל 98% מהליתיום כקרבונאט ליתיום בטוהר גבוה, מתאים לייצור סוללות חדשות. וחשוב מכך, כיוון שהחשמל נקטע כאשר "הכימיה החכמה" כבר פועלת, התהליך צרך כ‑חצי מהאנרגיה החשמלית של שיטה אלקטרוכימית חד‑שלבית סטנדרטית, וחסך יותר מחמישית מהרווח התפעולי הכולל לטון של חומר קטודה ממוחזר.

מה משמעות זה עבור סוללות העתיד

באופן פשוט, המחקר מראה שלא תמיד צריך להמשיך להזרים חשמל כדי להחזיר חומרים בעלי ערך מסוללות ישנות. יריית מתח מתוזמנת היטב יכולה להכין את החומר ואת התמיסה כך ששאר העבודה תתרחש מעצמה, מונעת על‑ידי כוחות כימיים פנימיים. אם שיטה דו‑שלבית זו תיושם בהיקף רחב, היא יכולה להפוך את מיחזור הליתיום מקטודות NCM לזול יותר, נקי יותר ואטרקטיבי יותר לתעשייה, לסייע לסגור את המעגל במחזור חיי הסוללה ולהקל על הלחץ על כריית ליתיום חדשה.

ציטוט: 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

מילות מפתח: מיחזור ליתיום, פסולת סוללות, ליחוי חסכוני באנרגיה, קטודות NCM, שחזור אלקטרוכימי