کاهش آلاینده‌ها با بازیافت باتری‌های لیتیوم-یونی

بازیافت باتری‌های لیتیوم-یونی و تأثیرات زیست‌محیطی آن

بر اساس یک تحلیل چرخه عمر جدید که توسط دانشگاه استنفورد منتشر شده و در مجله Nature Communications به چاپ رسیده، بازیافت باتری‌های لیتیوم-یونی برای بازیابی فلزات حیاتی آن‌ها تأثیرات زیست‌محیطی به مراتب کمتری نسبت به استخراج فلزات جدید دارد. در مقیاس بزرگ، بازیافت همچنین می‌تواند به کاهش ناامنی تأمین بلندمدت مواد معدنی حیاتی باتری، چه از نظر فیزیکی و چه از نظر ژئوپولیتیکی، کمک کند.

بازیافت‌کنندگان باتری‌های لیتیوم-یونی مواد را از دو منبع اصلی تأمین می‌کنند: مواد ضایعاتی معیوب از تولیدکنندگان باتری و باتری‌های “مرده” که عمدتاً از محل‌های کار جمع‌آوری می‌شوند. این فرآیند، لیتیوم، نیکل، کبالت، مس، منگنز و آلومینیوم را از این منابع استخراج می‌کند. این مطالعه، ردپای زیست‌محیطی این فرآیند بازیافت را اندازه‌گیری کرده و نشان داد که این فرآیند کمتر از نیمی از گازهای گلخانه‌ای (GHGs) تولید شده در استخراج و تصفیه سنتی این فلزات را منتشر می‌کند و حدود یک‌چهارم آب و انرژی مورد نیاز برای استخراج فلزات جدید را مصرف می‌کند.

مزایای زیست‌محیطی برای جریان ضایعات حتی بیشتر است، که حدود 90% از تأمین بازیافت‌شده مورد مطالعه را شامل می‌شود. به این ترتیب، تأثیرات آن به شکل زیر است: 19% از گازهای گلخانه‌ای تولید شده در استخراج و پردازش، 12% از مصرف آب و 11% از مصرف انرژی. اگرچه این مقادیر به‌طور خاص اندازه‌گیری نشده‌اند، اما کاهش مصرف انرژی همچنین با کاهش آلاینده‌های هوایی مانند دوده و گوگرد همبستگی دارد. ویلیام تارپه (BS ’12)، استادیار مهندسی شیمی در دانشکده مهندسی و نویسنده ارشد این مطالعه، گفت: “این مطالعه به ما می‌گوید که می‌توانیم آینده بازیافت باتری‌ها را به گونه‌ای طراحی کنیم که مزایای زیست‌محیطی را بهینه‌سازی کنیم. ما می‌توانیم سناریو را بنویسیم.”

موقعیت مکانی و تأثیرات زیست‌محیطی

تأثیرات زیست‌محیطی بازیافت باتری به شدت به موقعیت تأسیسات پردازش و منبع برق آن‌ها بستگی دارد. سامانتا بونکه، دانشجوی دکتری در دانشگاه استنفورد و یکی از سه محقق اصلی این مطالعه، گفت: “یک کارخانه بازیافت باتری در مناطقی که به شدت به برق تولید شده از سوختن زغال‌سنگ وابسته است، مزیت اقلیمی کمتری خواهد داشت.” او همچنین افزود: “کمبود آب شیرین در مناطقی که برق پاک‌تری دارند، نگرانی بزرگی است.”

بیشتر داده‌های این مطالعه برای بازیافت باتری از شرکت Redwood Materials در نوادا به دست آمده است که بزرگ‌ترین تأسیسات بازیافت باتری لیتیوم-یونی در مقیاس صنعتی در آمریکای شمالی است و از ترکیب انرژی پاک‌تر در غرب ایالات متحده، شامل انرژی آبی، زمین‌گرمایی و خورشیدی، بهره‌مند است.

نقش حمل و نقل

حمل و نقل نیز یک عامل حیاتی است. به عنوان مثال، در استخراج و پردازش کبالت، 80% از تأمین جهانی در جمهوری دموکراتیک کنگو استخراج می‌شود. سپس، 75% از تأمین کبالت برای باتری‌ها از طریق جاده، راه‌آهن و دریا به چین برای تصفیه منتقل می‌شود. در همین حال، بیشتر تأمین جهانی لیتیوم در استرالیا و شیلی استخراج می‌شود و بیشتر این تأمین نیز به چین منتقل می‌شود. فرآیند معادل برای بازیافت باتری، جمع‌آوری باتری‌های استفاده‌شده و ضایعات است که باید به بازیافت‌کننده منتقل شوند.

تحقیقات جدید درباره بازیافت باتری‌ها

مایکل ماچالا، دکترای ۲۰۱۷ و یکی از نویسندگان اصلی این مطالعه گفت: “ما تعیین کردیم که مسافت کل حمل و نقل برای استخراج و تصفیه فلزات فعال در یک باتری به طور متوسط حدود ۳۵,۰۰۰ مایل (۵۷,۰۰۰ کیلومتر) است. این معادل یک و نیم دور دور دنیا است.” ماچالا که در زمان تحقیق، پژوهشگر پسادکتری در مؤسسه پری‌کورت انرژی استنفورد بود و اکنون دانشمند ارشد مؤسسه تحقیقاتی تویوتا است، افزود: “مسافت تخمینی ما برای حمل باتری‌های استفاده شده از تلفن همراه یا خودروهای برقی به یک مرکز تصفیه فرضی در کالیفرنیا حدود ۱۴۰ مایل (۲۲۵ کیلومتر) بود.” این مسافت بر اساس مکان‌های بهینه فرضی برای تأسیسات تصفیه آینده در میان باتری‌های قابل بازیافت در ایالات متحده محاسبه شده است.

مزیت پتنت

نتایج زیست‌محیطی شرکت ردودود، عملکرد کلی صنعت نوپای بازیافت باتری‌ها را برای بازیافت باتری‌های استفاده شده نمایان نمی‌سازد. فرآیند متداول پیرومتالورژی، که یک مرحله کلیدی در تصفیه است، بسیار انرژی‌بر است و معمولاً به دماهای بالای ۲,۵۵۰ درجه فارنهایت (۱,۴۰۰ درجه سلسیوس) نیاز دارد. اما ردودود یک فرآیند به نام “کلسیناسیون کاهشی” را ثبت اختراع کرده که به دماهای به مراتب پایین‌تری نیاز دارد، از سوخت‌های فسیلی استفاده نمی‌کند و مقدار بیشتری لیتیوم نسبت به روش‌های متداول تولید می‌کند.

شی چن، نویسنده سوم و پژوهشگر پسادکتری در استنفورد در زمان تحقیق و اکنون استادیار در دانشگاه شهر هنگ کنگ، گفت: “فرآیندهای پیرومتالورژیکی دیگری مشابه با روش ردودود در آزمایشگاه‌ها در حال ظهور هستند که همچنین در دماهای متوسط عمل می‌کنند و از سوخت‌های فسیلی استفاده نمی‌کنند.” او افزود: “هر بار که درباره تحقیق‌مان صحبت می‌کردیم، شرکت‌ها از ما سوال می‌کردند و یافته‌های ما را در شیوه‌های کارآمدتر خود به کار می‌بردند.” چن ادامه داد: “این مطالعه می‌تواند به مقیاس‌گذاری شرکت‌های بازیافت باتری کمک کند، مانند اهمیت انتخاب مکان‌های مناسب برای تأسیسات جدید. کالیفرنیا انحصاری بر باتری‌های لیتیوم-یونی قدیمی از تلفن‌های همراه و خودروهای برقی ندارد.”

نگاهی به آینده

بازیافت باتری‌ها در مقیاس صنعتی در حال رشد است، اما به اندازه کافی سریع نیست، به گفته تاره‌په، نویسنده ارشد. او گفت: “پیش‌بینی می‌شود که در دهه آینده با کمبود کبالت، نیکل و لیتیوم مواجه شویم. احتمالاً برای مدتی فقط به استخراج مواد معدنی با کیفیت پایین‌تر خواهیم پرداخت، اما سال ۲۰۵۰ و اهدافی که برای آن سال داریم، چندان دور نیست.” در حالی که ایالات متحده اکنون حدود ۵۰٪ از باتری‌های لیتیوم-یونی موجود را بازیافت می‌کند، برای دهه‌ها ۹۹٪ از باتری‌های اسید سرب را با موفقیت بازیافت کرده است. تاره‌په گفت: “با توجه به اینکه باتری‌های لیتیوم-یونی استفاده شده حاوی موادی با ارزش اقتصادی تا ۱۰ برابر بیشتر هستند، این فرصت قابل توجهی است.” او افزود: “برای آینده‌ای با تأمین بسیار بیشتر باتری‌های استفاده شده، نیاز داریم که امروز یک سیستم بازیافت از جمع‌آوری تا پردازش به باتری‌های جدید با حداقل تأثیر زیست‌محیطی طراحی و آماده کنیم.” او امیدوار است که تولیدکنندگان باتری در طراحی‌های آینده خود به قابلیت بازیافت بیشتر توجه کنند.