ספקטרוסקופיית זרחון קרני רנטגן לזיהוי מהיר של כימיית הקתודה במיחזור סוללות ליתיום-יון

מדוע סוללות ישנות עדיין חשובות

מסמארטפונים ועד מכוניות חשמליות, סוללות ליתיום-יון מספקות כוח לשגרת חיינו — והן מצטברות בסוף חייהן. בתוך כל סוללה שוכנים בקתודה מתכות יקרות כמו ניקל, קובלט ומנגן שנרצה להחזיר לשימוש במקום לכרות מחדש. אך הממחזרים צריכים קודם כל לדעת בדיוק איזו כימיה של קתודה נמצאת בכל תא אטום, והשיטות הנוכחיות איטיות, מלכלכות או מצריכות פירוק הסוללה. עבודה זו חוקרת שיטה מהירה ולא-הרסנית "לראות" דרך מעטפות הסוללה באמצעות זרחן קרני רנטגן (XRF), המציעה שינוי מהותי עבור מיחזור סוללות בהיקף גדול.

להסתכל מבפנים בלי לפתוח

החוקרים פנו לזרחן קרני רנטגן (XRF), טכניקה שבה קרני רנטגן אנרגטיות פוגעות בחומר וגורמות לאטומיו לפלוט אותות רנטגן אופייניים משלהם. אותות אלה פועלים כמו טביעות אצבע יסודיות, וחושפים אילו מתכות קיימות. באופן קריטי, XRF לעיתים קרובות יכול לחקור דרך מעטפת המתכת או הרדיד של סוללה מבלי לפתוח אותה. בעבודה זו השתמש הצוות במכשיר XRF שולחני הפועל ב-50 קילובולט לסריקה של 108 סוללות ליתיום-יון משומשות בצורות שונות — כפתוריות, גליליות ותאי פאוץ שטוחים — שנאספו ממתקן מיחזור בצרפת.

מסיגנלים גולמיים לקבוצות ברורות

מדידת אותות רנטגן לבדה אינה מספיקה; הספקטרות מורכבות ומושפעות הן מהקתודה והן מהמארז החיצוני. כדי לפרק את המורכב הזה, הצוות השתמש בכלים סטטיסטיים שמחפשים דפוסים על פני הרבה סוללות יחד. הם התמקדו בעוצמות האותות מחמש מתכות מפתח — אלומיניום, מנגן, ברזל, קובלט וניקל — שעוזרות להבחין בין סוגי קתודה שכיחים. באמצעות ניתוח רכיבים עיקריים (PCA) ואשכולות היררכיים, הם קיבצו את 108 הסוללות לחמש אשכולות שמשקפים הן את פורמטי המארז והן את הכימיות הבסיסיות שלהן.

לאמת מה שהאשכולות באמת משמעותיים

כדי לאשר מה כל קבוצה מכילה בפועל, החוקרים פתחו בזהירות שלוש סוללות מייצגות מכל אשכול. הם בדקו את אבקות הקתודה במיקרוסקופ אלקטרונים, בדיפרקציית קרני רנטגן וטכניקה כימית רגישה יותר הנקראת ICP-OES. בדיקות הרסניות אלה חשפו אילו חומרים של קתודה אכן היו נוכחים: תאי כפתור השתמשו בעיקר בליתיום–מנגן דיאוקסיד; חלק מתאי הפאוץ התבססו על תחמוצת ליתיום–קובלט; אחרים וברוב התאים הגליליים התבססו על תערובות תחמוצות עשירות בניקל, מנגן וקובלט. באופן חשוב, כאשר הם אימנו מודל סיווג על נתוני XRF באיכות גבוהה ואז בדקו אותו על סריקות קצרות מאוד של 5 שניות, המודל עדיין הייחס נכון את כל הסוללות של מבחן לקבוצות הנכונות עם ביטחון גבוה מאוד.

כשאריזה מסייעת — או מסתירה — את התצפית

המחקר גם מראה שמארזי הסוללה אינם רק מכשולים; הם יכולים לספק רמזים. מעטפות פאוץ דקיקות המצופות אלומיניום מאפשרות לאות הקתודה יותר לברוח, מה שמקל על קריאת הכימיה האמיתית. לעומת זאת, מעטפות עבות מנירוסטה בתאי כפתור וגליליות סופגות באופן חזק ומציגות אותות שמאפילים על אותות הקתודה, כך שספקטרום ה-XRF נשלט על ידי הנירוסטה עצמה. ובכל זאת, אפילו במקרים אלה, ההרכב הכימי של המארז והמיגונים הפלסטיים — כגון נוכחות כלור או פיגמנטים מבוססי טיטניום — נטה להסתנכרן עם משפחות קתודה מסוימות במדגם. משמעות הדבר היא שהמערכת יכולה לפעמים להשתמש במעטפת החיצונית כצירוף כאשר אותות הקתודה החלשים, ועדיין חשוב להכיר בכך שקשרים כאלה עשויים שלא להחזיק בכל מקום.

מיון מהיר יותר לכלכלה מעגלית של סוללות

בסך הכל, העבודה מדגימה כי XRF בשילוב עם ניתוח נתונים חכם יכול למיין סוללות משומשות לפי סוג הקתודה תוך שניות, ללא פירוק, לפחות עבור טווח התאים המסחריים שנחקר. תאי פאוץ עם קתודות מבוססות קובלט טהור, לדוגמה, ניתנים לזיהוי ישירות — דבר חשוב להובלת סוללות עשירות בקובלט למסלולי החזרת ערך ייעודיים. למרות שהשיטה אינה מסוגלת לזהות באופן מושלם כל עיצוב אפשרי ומתמודדת עם מעטפות פלדה עבות מאוד, היא מציעה בסיס מעשי לקווי מיון אוטומטיים בזמן-אמת. על ידי הנחייה מהירה של כימיות סוללה שונות לתהליכי מיחזור ממוקדים, גישה זו עשויה לסייע להחזיר יותר מתכות קריטיות, לצמצם עלויות עיבוד ולהקטין את טביעת הרגל הסביבתית של התיאבון הגובר שלנו לעוצמה נטענת.

ציטוט: Ren, F., Vidal, V., Campos, A. et al. X-ray fluorescence spectroscopy for rapid identification of cathode chemistry in lithium-ion battery recycling. Commun Eng 5, 67 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00618-3

מילות מפתח: מיחזור סוללות ליתיום-יון, זיהוי קתודה, זרחן קרני רנטגן, החזרת מתכות קריטיות, טכנולוגיית מיון סוללות