ייצור בר-קיימא של ניקול ברמת סוללות באמצעות הפחתת ספירוליט באמצעות מימן

לנקות את הניקול מאחורי המכוניות החשמליות

ניקול הוא סוס עבודה שקט של הטכנולוגיה המודרנית, במיוחד בסוללות ביצועים גבוהים שמניעות רכבים חשמליים. עם זאת, ייצור המתכת הזו מלוכלך להפתיע ומשחרר כמויות גדולות של פחמן דו-חמצני. המחקר הזה בוחן דרך לייצר ניקול "בר-סוללה" עם פליטות נמוכות בהרבה על ידי החלפת הפחם בגז מימן בשלב מרכזי של היתוך, מה שעלול לצמצם משמעותית את טביעת הרגל האקלימית של מהפכת הרכב החשמלי.

מדוע סוג זה של עפרות ניקול חשוב

חלק גדול מהניקול בעולם מקורו בסלעים טרופיים משותפים הקרויים לייטרטים. וריאנט מרכזי, עפרת הספירוליט, עשיר במינרלים סיליקטיים נשאי מגנזיום ובדרך כלל מכיל יותר מ‑1.5% ניקול. כיום כמעט כל הספירוליט מעובד בנתיב בטמפרטורות גבוהות המכונה תהליך תנור מסתובב–תנור חשמלי (RKEF), שבו נשרף פחם הן כדלק והן כסוכן מחמצן כימי. בהתאם לתנאים, זה יכול לפלוט מכ‑30 ועד מעל 60 טון פחמן דו‑חמצני על כל טון ניקול מיוצר. חלופות כמו חלחול חומצי אגרסיבי לעיתים קרובות מפליטות אפילו יותר פחמן. ככל שהביקוש לניקול מזנק עם הצמיחה של רכבים חשמליים והדיון הסביבתי מתגבר, העומס למצוא טכנולוגיות התכה נקיות יותר גובר.

שימוש במימן במקום פחם

החוקרים התמקדו באלטרנטיבה מבטיחה: שימוש בגז מימן במקום פחם כדי להסיר חמצן מהמינרלים הנושאים ניקול וברזל בספירוליט. הם בנו תנור פלדה מסתובב באורך מטר המדמה את התנועה ואת המגע גז–מוצק של קילן תעשייתי. ספירוליט גרוס היטב מנו קלדוניה הוזן לתוך תעלה זו, שחוממה תחילה תחת חנקן ולאחר מכן נחשפה לזרם מבוקר של מימן כמעט טהור בטמפרטורות שבין 800 ל‑950 °C. על ידי מעקב מדוקדק אחרי אובדן מסת וממשפחה במבנה המינראלי, יכלו החוקרים לראות כמה מהר וכמה להשלים היתוך העפרה בתנאי הפעלה שונים, כגון טמפרטורה, זרימת גז וגודל חלקיקים.

מדוע גודל החלקיקים הוא המנוף החבוי

ניתוחים מינרליים וכימיים מפורטים הראו שחלקיקים גסים עשירים יותר בסיליקטים של מגנזיום, בעוד שחלקיקים דקים מכילים יחסי גבוהים יותר של מינרלים ברזליים, אך הניקול עצמו מפוזר כמעט באופן שווה על פני כל הגדלים. זה אומר שהפרדה פיזית של מינרלים נשאי ניקול אינה מעשית: יש לטפל בכל העפרה יחד. במהלך טיפול במימן ב‑900 °C, המדגמים איבדו במהירות כ‑20% ממסתם — אות משולב של שחרור מים ממינרלים מחוממים והסרת חמצן במהלך היווצרות המתכת. באופן בולט, אובדן מסת זה הגיע לערכו הסופי בתוך כ‑15 דקות בלבד ושינויים קלים נצפו בזמני פעול ארוכים יותר. במקום זאת, שני גורמים פיזיים שלטו בביצועים: זרימת הגז וגודל החלקיקים. ברגע שזרימת המימן עלתה על כ‑3 ליטרים לדקה, אספקת יותר גז כבר לא הביאה תועלת נוספת. לעומת זאת, ריסוק העפרה דק יותר נתן דחיפה חזקה: החלקיקים הקטנים ביותר, מתחת ל‑45 מיקרומטר, השיגו את ההפחתה הגבוהה והמהירה ביותר, כי המימן יכול היה לחדור ביתר קלות דרך המסגרת הסיליקטית הדקה ולהגיע לאטומי הניקול והברזל המלכודים בפנים.

מעפרה מומחשת למתכת ברמת סוללה

כדי לבדוק האם העפרה שעברה טיפול במימן יכולה להניב מוצר שימושי, הצוות נימך את האבקה המופחתת בתנור אנכי בטמפרטורות גבוהות תחת אטמוספירה ארגונית אטומה. ב‑1550 °C החומר הפריד בצורה נקייה לשתי שכבות: סגסוגת ברזל–ניקול צפופה ששקעה בתחתית וסגלגל סיליקטי עשיר במגנזיום שצף למעלה. הדמיה מיקרוסקופית ומיפוי כימי אישרו ששכבת המתכת כללה כ‑73% ברזל ו‑25% ניקול — אופייני לניקל‑פיג‑אירון תעשייתי — בעוד שהסלג היה ברובו חופשי ממתכות. מאחר שהסגסוגת היא חזקה מגנטית, ניתן היה להפריד אותה לחלוטין באמצעות ציוד מגנטי פשוט, מה שמצביע על מסלול יעיל מעפרה למזון לתנור ללא הוספת כימיקלים נוספים או מחמצנים מוצקים.

מה המשמעות הזאת עבור סוללות נקיות יותר

ללא מומחים, המסר המרכזי הוא שניתן להפוך את הדרך שבה מעבדים ניקול לנקייה הרבה יותר מבלי לשנות את סוג העפרה שאנו מכינים. על‑ידי ריסוק עדין של ספירוליט וחשיפתו לזרימת מימן נמרצת בסביבות 900 °C, ניתן להמיר את העפרה בתוך דקות לחומר שנמס לסוג ניקול‑פיג‑אירון באיכות גבוהה, עם הפרדה ברורה בין המתכת לסלע הפסולת. מכיוון שמימן מייצר מים במקום פחמן דו‑חמצני כשהוא מבצע את ה"תיעול" הכימי, גישה זו יכולה לקצץ באופן חדה את הפליטות מהיתוך ניקול אם היא מונעת על ידי אנרגיה פחמן‑נמוכה. המחקר מגדיר את חלון התפעול — טמפרטורה, זרימת גז וגודל חלקיקים — שהמהנדסים יכולים להשתמש בו לתכנון מפעלים פחמן‑נמוכים, ומדגיש את הצעד הבא: בדיקת התהליך המבוסס מימן בקילנים ניסיוניים רציפים כדי להוכיח שניקול ירוק יותר ניתן לייצור באופן אמין ובקנה מידה תעשייתי.

ציטוט: Park, T., Han, S., Lee, W. et al. Sustainable production of battery-grade nickel via hydrogen reduction of saprolite. Sci Rep 16, 5553 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36516-z

מילות מפתח: סוללות ניקול, היתוך במימן, מתכות פחמן-נמוכות, מחצבת לייטרט, חומרי רכב חשמלי