שיחזור ליתיום בעל טוהר גבוה מסוללות ליתיום-יון משומשות באמצעות ממברנות ננו-סינון מסחריות: הערכת ביצועים השווייתית

מדוע סוללות ישנות עדיין חשובות

מיליוני סוללות ליתיום-יון מזינות את הטלפונים, המחשבים הניידים והרכבים החשמליים שלנו, ורובן בסופו של דבר ייפלו לפסולת. בתוך כל סוללה "מתה" עם זאת, יש עדיין ליתיום ומתכות יקרות אחרות שניתן להשתמש בהן מחדש במקום לחצוב אותן מהאדמה. המחקר הזה חוקר גישה מבוססת מים לסינון שיכולה להוציא ליתיום בטוהר גבוה מפסולת סוללות, ובכך לעזור להפוך את המכשירים של אתמול לחומרים של אנרגיה נקייה של מחר.

מסוללות פגומות לנוזל שימושי

כשסוללת ליתיום-יון מגיעה לסוף חייה, היא לא מועברת ישר לסינון. קודם כל, חלקיה העשירים במתכות מעובדים בחומצות בשלב שנקרא לישיונינג (חליצה). זה מייצר תערובת נוזלית מרוכזת שמכילה ליתיום יחד עם מספר מתכות כבדות כגון ניקל, קובלט, מנגן, אלומינום וברזל. במפעלים ממוחזרים הנוזל הזה מלוכלך ומלא אבקות עדינות, ולכן החוקרים יצרו "חלחול סינתטי" נקי יותר עם אותו תמהיל של מתכות מומסות. זה אפשר להם לבדוק עד כמה מסננים שונים יכולים להפריד ליתיום בתנאים מבוקרים וריאליסטיים.

להשתמש במסננים חכמים במקום בתהליכים קשים

הצוות בדק ארבע ממברנות ננו-סינון מסחריות. אלה גלויות דקות דמויות פלסטיק מלאות במסלולי מים זעירים שפועלות במקצת כמו נפות ובמקצת כמחסומים טעונים חשמלית. מים ויונים קטנים עם מטען יחיד כמו יוני ליתיום יכולים לחדור בקלות יחסית, בעוד שיונים גדולים יותר או בעלי מטען גבוה יותר מוחזקים בעיקר. החוקרים מדדו בקפידה את עובי הממברנה, מחוספסותה וידידותה למים, ואז העבירו את הנוזל הסינתטי על פניהן במערכת מעבדה דומה לזו שתשמש בתעשייה. הם גם בדקו כיצד הממברנות משתנות לאחר שימוש, לוודא שהן אינן סדוקות או מתפרקות.

מאפשרים לליתיום לעבור וחוסמים מתכות כבדות

כל ארבע הממברנות התנהגו באותו אופן כללי: ליתיום, היותו קטן ונושא מטען חיובי יחיד, נדחה במידה קלה וחלף ברובו, בעוד שמתכות כבדות יותר הנושאות שניים או שלושה מטענים חיוביים נחסמו בעוצמה. שתי הממברנות ה"רפויות" יותר אפשרו את מעברו של מרב הליתיום, ודחו רק ככרבע ממנו, ובכל זאת עצרו בערך 80–90% מהמתכות הרב-ערכיות. הממברנות ה"הדוקות" יותר היו סלקטיביות יותר בכיוון ההפוך: הן דחו מעל 90% מניקל, קובלט, מנגן, אלומיניום וברזל, אך גם עצרו חלק גדול יותר מהליתיום. כאשר כל המתכות היו נוכחות יחד, חסימת המתכות הכבדות התחזקה אף יותר בשל הצטברות מטענים חשמליים על פני שטח הממברנה, בעוד שליתיום המשיך לזרום בכמויות משמעותיות.

תכנון תמהיל הממסננים הטוב ביותר

בהשוואת ארבע הממברנות זו לצד זו, בנו החוקרים ספר חוקים פשוט לבחירת מסננים במפעל מיחזור. אם המטרה העיקרית היא להכניס כמה שיותר ליתיום לנוזל הנקי בצד השני של הממברנה, ממברנה פתוחה יותר היא הטובה ביותר, משום שהיא מציעה התנגדות נמוכה לליתיום תוך כדי עיכוב רוב המתכות הכבדות. אם התהליך צריך לסנן מתכות כבדות ביתר קפדנות, ממברנה הדוקה יותר היא מועדפת, אף על פי שהיא מקריבה חלק ממעבר הליתיום. המחקר גם הראה כיצד תכונות כמו מחוספסות פני השטח, זווית מגע עם מים (כמה בקלות המים מתפשטים על המשטח) והרכב כימי פועלות יחד כדי לקבוע אילו יונים עוברים ואילו נשארים מאחור.

מה זה אומר לחיי היומיום

ללא מומחיות מיוחדת, המסר הוא שמסננים פשוטים הזמינים מסחרית כבר יכולים לעזור להפוך סוללות משומשות למקור משני אמין של ליתיום, מה שמקל על העומס על מכרות ומאגרי מלח רגישים. על ידי בחירה של שילוב נכון של ממברנות, חברות מיחזור יכולות גם לשחזר ליתיום בטוהר גבוה לסוללות חדשות ולמנוע כניסת מתכות רעילות לסביבה. במילים אחרות, העבודה מצביעה על עתיד שבו הסוללות במכשירים שלנו מהוות חלק ממעגל מחזורי — נולדות מחדש כסוללות חדשות במקום להסתיים כפסולת מסוכנת.

ציטוט: Alam, M., Bruggen, B.V.d., Ahsan Khan, M. et al. High purity lithium recovery from spent lithium-ion batteries using commercial nanofiltration membranes: a comparative performance assessment. Sci Rep 16, 6129 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36924-1

מילות מפתח: מיחזור ליתיום, סוללות משומשות, ננו-סינון, הפרדת ממברנה, כלכלה מעגלית