باتری‌های یون لیتیوم (Lithium-ion) یا باتری‌های لیتیومی (البته انواع دیگری از باتری‌های لیتیومی مثل باتری‌های لیتیوم آهن فسفات هم هست) یک خانواده از باتری‌های قابل شارژ است که در آن در زمان تخلیه، یون‌های لیتیوم از الکترود منفی به سمت الکترود مثبت و در هنگام شارژ برخلاف جهت حرکت می‌کنند. این نوع باتری‌ها معمولاً برای وسایل الکترونیکی قابل‌حمل مثل موبایل، هدفون و لپ‌تاپ و نیز خودروهای برقی استفاده می‌شوند و البته کاربردشان در صنایع هوافضا و نظامی نیز در حال افزایش است. از مزایای این نوع باتری‌ها می‌توان به وزن پایین و انرژی قابل توجه ( باتری‌های لیتیومی نسبت به باتری‌های نیکل کادمیوم دو برابر بیشتر انرژی ذخیره می‌کنند) اشاره نمود. بنابراین با توجه به توضیحات داده شده می‌توان نتیجه گرفت که استفاده از این باتری‌ها نه‌تنها رایج است بلکه در آینده نیز بیشتر خواهد به گونه‌ای که پیش‌بینی می‌شود در سال‌های آینده به مقدار کافی عنصر لیتیم برای تولید این باتری‌ها در دسترس نخواهد بود. از این جهت بازیافت باتری‌های لیتیومی باید مورد توجه ویژه‌ای قرار گیرد به خصوص اینکه این نوع باتری‌ها خطرات زیادی برای محیط زیست دارند (به طور کلی فلز لیتیم واکنش‌پذیری بسیار بالایی دارد و مثلاً با آب شدیداً واکنش نشان می‌دهد و به شکل لیتیم هیدروکسید و گاز هیدروژن درمی‌آید).
ساختار باتری‌های یون لیتیومی
قبل از پرداختن به مبحث بازیافت این باتری باید با ساختار آن‌ها آشنا شد. باتری‌های یون لیتیومی از سه بخش اصلی الکترود مثبت، الکترود منفی و الکترولیت تشکیل می‌شوند. معمولاً جنس الکترود منفی از گرافیت و جنس الکترود مثبت از اکسید فلزی مثل لیتیم کبالت اکسید، لیتیم آهن فسفات یا یک لعل مثل منگنز اکسید است و الکترولیت نیز نمک لیتیم در یک حلال ترکیب آلی کربناتی مثل اتیلن کربنات یا دی‌اتیل کربنات می‌باشد.
فلزات قابل بازیافت در باتری‌های لیتیومی
از فلزاتی که در باتری‌های لیتیمی وجود دارد و کم و بیش و با توجه به شرایط قابل بازیافت هستند، می‌توان به آلومینیوم، آهن، مس، نیکل،ز کبالت، گرافیت، منگنز و لیتیوم اشاره کرد. امروزه با استفاده از روش‌های مختلف بازیافت در حدود ۲۵ تا ۹۶ درصد از مواد موجود در باتری لیتیوم یون را می‌توان بازیافت نمود.
روش بازیافت باتری‌های لیتیمی
روش‌های بسیار مختلفی برای بازیافت و استخراج فلزات ارزشمند از این‌گونه باتری‌ها وجود دارد ولی اگر بخواهیم به صورت اجمالی روش بازیافت این باتری‌ها را شرح دهیم باید بگوییم که اکثر این روش‌ها طی چند مرحله زیر انجام می‌گیرد:
- غیرفعال کردن یا تخلیه باتری
- جداسازی سیستم‌های باتری (به ویژه در مورد باتری‌های وسایل نقلیه الکتریکی)
- بازیابی الکترولیت
- استفاده از فرآیند هیدرومتالورژی یا پیرومتالورژی یا ترکیبی از هر دو و استخراج فلزات
خطرات و مشکلات بازیافت باتری‌های لیتیومی
خطرات بازیافت باتری‌های لیتیوم یون شامل خطرات الکتریکی، شیمیایی و حرارتی و ظرفیت کنش و واکنش میان آن‌هاست. به طور مثال یکی از مشکلات جدی احتمال واکنش شدید مواد داخل باتری به آب است. مثلاً لیتیوم هگزا فلوروفسفات که می‌تواند به عنوان الکترولیت باتری باشد با آب واکنش می‌دهد و اسید هیدروفلوئوریک تولید می‌کند. همچنین در فرایند بازیافت این باتری‌ها همواره خطر آتش گرفتن و حتی منفجرشدن خود به خودی باتری وجود دارد. جدای این مسائل به هزینه بالای بازیافت هم باید اشاره کرد به گونه‌ای که هزینه بازیافت گاها تا 5 برابر استخراج لیتیوم از معادن بالا می‌رود. از طرفی با توجه به اینکه فناوری ساخت باتری‌های لیتیمی مدام در حال تغییر است، بنابراین فرایندهای بازیافت نیز باید چند سال یک بار تغییر کند. به هر صورت و با وجود تمام این مشکلات شرکت‌هایی هستند (به خصوص شرکت‌های کوچک) که به بازیافت این نوع از باتری‌ها مشغول می‌باشند.
بررسی چند روش بازیافت
بازیافت باتری‌های لیتیومی به روش پیرومتالورژِی
باتری‌های لیتیوم یون را می‌توان به روش پیرومتالورژی یا ذوب بازیافت کرد و در جهان چند شرکت مشغول استفاده از این روش هستند. این شرکت‌ها اغلب در دمایی نزدیک به ۱۵۰۰ درجه سانتی‌گراد باتری‌ها را ذوب و کبالت، نیکل و مس را بازیابی می‌کنند اما لیتیوم، آلومینیوم و یا هر ترکیب آلی را که می‌سوزد یا بخار می‌شود را نمی‌توانند بازیابی کنند. این نوع بازیافت به دلیل نیاز به حذف ترکیبات سمی فلوئور که در طی فرآیند ذوب منتشر می‌شوند، تا حدودی هزینه‌بر است.
روش‌های هیدرومتالورژی
روش هیدرومتالورژی و یا همان روش لیچینگ شیمیایی که در حال حاضر به صورت تجاری در چین انجام می‌شود، به عنوان جایگزینی با انرژی کمتر و روشی کم‌هزینه‌تر برای بازیافت باتری‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. این روش برای استخراج و جداسازی فلزات کاتدی، معمولاً در دمای زیر ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد به کار گرفته می‌شود و می‌تواند لیتیوم و مس را علاوه بر سایر فلزات واسطه بازیابی کند. یکی از معایب روش‌های مبتنی بر لیچینگ این است که این فرآیند به مواد خورنده مانند اسیدهای کلریدریک اسید، نیتریک اسید، سولفوریک اسید و پراکسید هیدروژن نیاز دارد.
روش مکانوشیمی
روش مکانوشیمی یک روش آزمایشی و تحقیقاتی است که توسط دانشمندان مواد در انستیتوی تکنولوژی کارلسروهه آلمان مورد آزمایش قرار گرفته است. آن‌ها ابتدا ماده کاتد را از یک باتری لیتیم کبالت اکسید جدا و آن را با مقدار برابر فویل آلومینیم ترکیب کردند. سپس این ترکیب‌ها را با یک آسیاب بالمیل آسیاب کردند. بعد از سه ساعت، آلومینیم با ماده کاتدی واکنش داده بود و مخلوطی نامحلول از اکسیدهای آلومینیم و همچنین کبالت فلزی و اکسیدهای حلال لیتیم به وجود آورده بود. پس از آن با روش لیچینگ اقدام به بازیافت لیتیوم کردند. البته بازدهی کار آن‌ها پایین بود و فقط موفق شدند 30 درصد از لیتیوم را استخراج کنند. درنتیجه تیم مذکور فرایند خود را اصلاح کردند و مثلاً ترکیب خارج‌شده از آسیاب بالمیل را با آب گرم کردند که باعث گردید از تولید اکسیدهای نامحلول آلومینیم که لیتیم را حبس می‌کنند، جلوگیری شود. درنهایت آن‌ها با انجام این اصلاحات موفق شدند بازدهی را به 75 درصد افزایش دهند.
سخن پایانی
بازیافت باتری پیچیده‌تر از توسعه ساده یک تکنیک است و به همان اندازه یک مسئله اقتصادی نیز هست. ما امروز در موقعیتی هستیم که واقعاً نمی‌دانیم لیتیم که در سال ۲۰۳۰ نیاز داریم از کجا خواهد آمد و از طرفی نمی‌دانیم باید با این حجم از باتری‌های زیان‌آور و خطرناک برای محیط زیستمان چه کنیم.
متشکرم