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

Clear Sky Science · he

הפרדה סלקטיבית של ליתיום מתמיסות חומציות כלוריד של סוללות מפורקות

· חזרה לאינדקס

מדוע סוללות ישנות עדיין חשובות

סוללות ליתיום־יון מפעילות את הטלפונים, המחשבים הניידים והרכבים החשמליים שלנו, אך הליתיום שבהן קשה להשיב אחרי שסוללות מגיעות לסוף חייהן. כיום חלק ניכר מהליתיום אובד או מחוזר רק אחרי תהליכים רבים ויקרים. המחקר הזה חוקר דרך פשוטה יותר למשוך את הליתיום מוקדם מתוך הנוזל החומצי המיוצר כשהסוללות המגוררות מומסות כימית, במטרה לחסוך אנרגיה, חומרים וכרכיבים יקרים.

הפיכת תאים מגוררים לנוזל שימושי

מיחזור מודרני של סוללות לרוב מתחיל ב״black mass״, אבקה כהה המתקבלת כתוצאה ממגרור תאים ישנים. אבקה זו עשירה בליתיום אך גם בניקל, קובלט, מנגן ומתכות נוספות. גישה נפוצה היא להמיס את ה־black mass בחומצת מלח, ולהשיג נוזל מלוח שמכיל כמעט את כל המתכות בו־בזמן. האתגר הוא ששיטות ההחלמה הקיימות מתמקדות בדרך כלל קודם במתכות היקרות יותר ומשאירות את הליתיום לסוף התהליך, כשהוא מדולל, חלקית אבוד ומעורב עם מזהמים רבים. חילוץ מוקדם של הליתיום מאותו נוזל חומצי יהיה יעיל יותר, אך דורש חומר שיכול לתפוס ליתיום באופן סלקטיבי מבלי למשוך מתכות אחרות.

Figure 1. איך מסנן נוזלי מושך ליתיום מתוך סוללות מותכות בעוד הוא משאיר מתכות אחרות מאחור.
Figure 1. איך מסנן נוזלי מושך ליתיום מתוך סוללות מותכות בעוד הוא משאיר מתכות אחרות מאחור.

נוזל מותאם שמעדיף ליתיום

החוקרים עיצבו נוזל אורגני מיוחד הפועל כמו מסנן ברמת המולקולה. הוא משלב שלושה מרכיבים: יוני ברזל, ממס תעשייתי שכיח בשם טריבוטיל פוספט, ומולקולה מסייעת חומצית הידועה כ־P507. כשהפאזה האורגנית הזו מעורבבת עם שיגור החומצה מהסוללות, יוני הליתיום עוברים אל הנוזל האורגני ביתר קלות מאשר ניקל, קובלט או מנגן. הקבוצה כיווננה בקפידה את היחס בין P507 לברזל כך שהנוזל יוכל גם לקבל את הליתיום מהשיגור וגם לשחררו לאחר מכן למים נקיים, בעוד הברזל נשאר קשור בתוך הפאזה האורגנית לשימוש חוזר.

שלב אחרי שלב: ממרק מעורב לליתיום נקי

נבדקו שני סידורי תהליך מעט שונים. בראשון הנוזל האורגני נטען בליתיום ישירות משיגור הסוללות, ולאחר מכן נוסף P507 לייצוב המערכת. בשני הברזל הוטען מראש לפאזה האורגנית באמצעות תמיסה מאגר פשוטה, ורק אז הובא הנוזל במגע עם השיגור האמיתי. בשני הנתיבים בוצעו שלוש שלבים מרכזיים: שטיפה להסרת זיהומים שאריתיים, סירוג (stripping) להעברת הליתיום מהנוזל האורגני אל המים, והתחדשות להכין את הפאזה האורגנית למעבר נוסף. עם יחס ערבוב מתאים בין הפאזה האורגנית והמי־מַמַס וביחס P507 לברזל של כ־1.5 עד 1.7, התהליך חילץ יותר מ־90 אחוז מהליתיום על פני מספר שלבי מגע תוך שהוא משאיר את הניקל והקובלט כמעט לגמרי בתמיסה המקורית.

Figure 2. איך נוזלים בשכבות מעבירים את הליתיום שלב־אחר־שלב מתמיסה מעורבת של מתכות לזרם נקי ורוכז יותר.
Figure 2. איך נוזלים בשכבות מעבירים את הליתיום שלב־אחר־שלב מתמיסה מעורבת של מתכות לזרם נקי ורוכז יותר.

שמירה על יציבות המערכת ושימוש חוזר

הצוות השתמש במדידות אינפרה־אדום ובאולטרה־סגול־נראה כדי לאשר כיצד הברזל והמולקולות האורגניות מתקשרים בתוך מסנן הנוזל. הבדיקות הראו שהברזל נשאר קשור בצורה השומרת אותו בפאזה האורגנית גם כאשר רמת הכלוריד יורדת במהלך הסירוג במים. כתוצאה מכך, אותו ממס ניתן לשימוש חוזר במספר מחזורים ללא איבוד משמעותי של ברזל או של ביצועי חילוץ. במשך שישה מחזורים חוזרים, חילוץ ליתיום חד־שלבי נשאר בקרבת 65 אחוז, והזרם המימי העשיר בליתיום הכיל 11 עד 14 גרם ליתיום לליטר בעוד שרמות הניקל והקובלט היו מתחת לגבול הגילוי והמנגן כמעט לא נצפה.

מה זה אומר למיחזור סוללות נקי יותר

לתקציר בלתי־מומחה, התוצאה המרכזית היא שניתן למשוך את הליתיום מוקדם מתמיסת שיגור מלוחה וחומצית של סוללות באמצעות מסנן נוזלי בר־מיחזור ורק מים לשלב השחרור הסופי. זה חוסך חימום של ה־black mass לטמפרטורות גבוהות, מצמצם את השימוש בחומצות ובבסיסים נוספים ומונע הכנסת מתכות מזהמות נוספות. במתקן מיחזור תעשייתי, השיגור המנוקה יכול אז להיות מעובד בשיטות קיימות להחלמת ניקל, קובלט ומנגן, בעוד שהזרם המימי העשיר בליתיום יכול להיות מומר למלחים ברמת סוללות. יחד, צעדים אלה מציעים דרך יעילה ופוטנציאלית בת־קיימא יותר לסגור את המעגל של הליתיום בסוללות נטענות.

ציטוט: Saleem, U., Buvik, V., Bandyopadhyay, S. et al. Selective extraction of lithium from acidic chloride leachates of spent batteries. Sci Rep 16, 14984 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43332-y

מילות מפתח: מיחזור ליתיום, שאריות תפעול סוללות (leachate), חילוץ ממס, black mass, הידרומטלורגיה