Clear Sky Science
הסברים מבוססי ראיות, עם מעט ז'רגון

Clear Sky Science · he

מיחזור ישיר של חומרי קתודה של סוללות ליתיום-יון בסוף חייהן באמצעות מסלול הידרותרמי

· חזרה לאינדקס

מדוע סוללות רכב ישנות עדיין חשובות

מכוניות חשמליות נשענות על סוללות ליתיום-יון העשירות במתכות יקרות כמו ניקל, מנגן, קובלט וליתיום. עם מיליוני סוללות המגיעות לסוף חייהן, העולם ניצב בפני אתגר כפול: כיצד למנוע ערמות פסולת רעילה ובמקביל להקטין את התלות בכרייה חדשה. המחקר הזה בוחן דרך "לרפא" אחד החלקים החשובים ביותר בסוללות אלה — חומר הקתודה — כדי שניתן יהיה להשתמש בו שוב בסוללות חדשות עם הרבה פחות אנרגיה, זיהום ועלות מאשר שיטות המחזור הרגילות כיום.

Figure 1
Figure 1.

מבעיית פסולת ללולאת משאבים

המחברים מציגים חבילות סוללות בסוף החיים כמשאב אסטרטגי ולא כפסולת. המחזור הנוכחי באירופה רחוק מלהשביע את הצורך שיהיה קיים ככל שרכבים חשמליים יתרחבו, ושיטות המסורתיות מבוססות על התכת טמפרטורה גבוהה או על חומצות חזקות. תהליכים אלה משחזרים רק חלק מהמתכות, לעתים מאבדים ליתיום, צורכים הרבה אנרגיה ומייצרים זרמי פסולת נוספים. לעומת זאת, הגישה שנחקרת כאן — הנקראת מיחזור ישיר — שואפת לשמור על המבנה של הקתודה ברובו ולשחזר רק את מה שאבד במהלך השימוש. זה רלוונטי במיוחד עבור קתודה נפוצה הידועה כ-NMC622, הנמצאת בסוללות מסחריות של רכבים חשמליים כמו ה-Hyundai KONA.

שיקום עדין של חומר סוללה מותש

במקום לטחון הכל לחלקים יסודיים, הצוות מתחיל מתאי סוללה אמיתיים ומבוזים ומפריד בזהירות אבקה נקייה המכילה רק את חומר הקתודה. לאחר מכן הם משתמשים בתהליך מבוסס מים שנקרא רליתיומציה הידרותרמית: האבקה מעורבבת עם תמיסה עשירה בליתיום, נאטמת בכלי לחץ בטמפרטורה מתונה, ולאחר מכן נתונה לטיפול חום קצר בטמפרטורה גבוהה. במהלך רצף זה, יוני ליתיום זורמים חזרה לתוך החלקיקים המיובשים ומסגרת הגביש מתוקנת, ומשחזרים את יכולת החומר לאגור ולשחרר אנרגיה. באמצעות תכנון מאורגן של ניסויים, החוקרים מייעלים ריכוז הליתיום, הטמפרטורה וזמן התגובה כדי לראות איזו שילוב משקם את החומר בצורה הטובה ביותר.

מציאת הנוסחה המיטבית לשיקום

מדידות מדוקדקות מראות שהאבקת קתודה ההתחלתית חסרה ליתיום ויש לה פני שטח פגועים ושלבים נוספים בלתי רצויים שאינם מתפקדים היטב בסוללה. לאחר הטיפול, הדגימות הטובות ביותר משחזירות מבנה גבישי שכבותי נקי הקרוב מאוד לזה של NMC622 מסחרי חדש. ניתוח סטטיסטי מגלה שריכוז הליתיום והטמפרטורה הם הגורמים המרכזיים בהצלחת השיקום, בעוד שהשפעת הזמן תלויה בכמות הליתיום הנוכחית. ממצא מרכזי הוא שתנאים עדינים יותר — 160 °C, תמיסת ליתיום יחסית מרוכזת וטיפול קצר של שעה — מספקים חומר מסודר היטב עם פגמים מועטים יותר, ניידות ליתיום טובה יותר והתנגדות חשמלית נמוכה יותר מאשר דגימות שעברו טיפול ארוך יותר.

מבחן לשחזורים: קתודות בביצוע

כדי לבדוק האם האבקות המשופרות באמת מתנהגות כמו חדשות, המחברים בונים תאי בדיקה בגודל מטבע ומשווים אותן ישירות לקתודה NMC622 מסחרית. דגימת השיקום הטובה ביותר מספקת קיבולות פריקה הקרובות לחומר החדש, שומרת על כ-80% מהקיבולת שלה לאחר 50 מחזורי טעינה–פריקה, ומטפלת בקצבי טעינה גבוהים באופן מפתיע — בקצב המהיר ביותר שנבדק היא אפילו עולה על הבנצ'מרק המסחרי. דגימות משוקמות אחרות שעברו טיפול מחמיר יותר מראות יותר ערבוב אטומי בתוך הגביש ותנועת ליתיום איטית יותר, התנהגויות המתבטאות בהתנגדות פנימית גבוהה יותר ואובדן ביצועים מהיר יותר. השוואה זו צמודה מקשרת את תנאי העיבוד למבנה המיקרוסקופי ובסופו של דבר להתנהגות הסוללה במציאות.

Figure 2
Figure 2.

סוללות נקיות יותר לעתיד מעגלי

מעבר לשיקום הביצועים, מסלול התיקון ההידרותרמי מציע יתרונות סביבתיים וכלכליים משמעותיים. מכיוון שהוא פועל בטמפרטורות נמוכות יותר וממנע שימוש בחומצות אגרסיביות, הוא צורך רק חלק מהאנרגיה של שיטות המיחזור השולטות ומפיק פחות פליטות גזי חממה ופסולות מסוכנות. כמעט כל הקתודה משוחזרת ישירות במקום להפוך ולהיבנות מחדש מהיסוד. המחקר מסיק שמיחזור ישיר מותאם של קתודות עשירות בניקל כמו NMC622 יכול להשתלב באופן חלק במפעלי סוללות עתידיים, להפחית את הצורך בכריות חדשות ולעזור להפוך את הרכבים החשמליים לחלק ממערכת אנרגיה מעגלית ובעלת השפעה נמוכה.

ציטוט: 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

מילות מפתח: מיחזור סוללות ליתיום-יון, שיקום קתודה, רליתיומציה הידרותרמית, סוללות לרכבים חשמליים, כלכלה מעגלית