خبر فوری: دانشگاه پنسیلوانیا انقلابی در تولید باتری! روشی ارزان‌تر و پاک‌تر برای استخراج عناصر حیاتی

پژوهشای دانشگاه پنسیلوانیا: روشای نو برای درآوردن عناصر حیاتی باتریا

محققای دانشگاه پنسیلوانیا، دست‌به‌دست هم، دارن روشای امن‌تر و پایدارتری رو برای به‌دست‌آوردن عناصری درست می‌کنن که واسه فناوری باتری‌خیلی مهمن. یافته‌های این تحقیقات، راهو وا می‌کنن که از موادی استفاده بشه که قبلاً فقط آشغال حساب می‌شدن.

کتاب پرفروش سیدارت کارا، که اسمش «کبالت قرمز: چطوری خون کنگو زندگیمونو می‌سازه؟»، مشکلای مربوط به تأمین کبالت رو بررسی می‌کنه. کبالت یکی از اجزای اصلی باتریای لیتیوم-یونی هست که خیلی از تکنولوژیای مهم تو زندگی امروزه رو راه‌اندازی می‌کونه. از موبایلا و ضربان‌سازا تا ماشینای برقی، کبالت نقش مهمی داره. اریک شلتر، استاد شیمی دانشگاه پنسیلوانیا، می‌گه: «شاید خیلیا شنیده باشیم که باتریای لیتیوم-یونی واسه تکنولوژیای ذخیره انرژی خیلی مهمن.» اون ادامه می‌ده: «ولی چطوری موادی که این باتریا رو می‌سازن، تأمین می‌شن، می‌تونه نگران‌کننده و دردسرساز باشه، هم از نظر اخلاقی و هم از نظر محیط زیست.»

شلتر اشاره می‌کنه که استخراج کبالت تو جمهوری دموکراتیک کنگو، که حدود ۷۰ درصدِ کبالتِ جهان رو تأمین می‌کنه، به‌خاطر خراب‌کردن محیط زیست و شرایط کاری خطرناک، کلی نگرانی ایجاد کرده. این استخراج در حجم زیاد می‌تونه اکوسیستما رو به هم بزنه، آب‌ها رو آلوده کنه و اثرات زیست‌محیطی دائمی بذاره. علاوه بر این، اون خاطرنشان می‌کنه که کمبود کبالت تو آینده می‌تونه زنجیره‌های تأمین جهانی رو تحت فشار بذاره، چون تقاضا برای تکنولوژی‌های باتری همچنان در حال زیاد شدنه.

پژوهشای تازه تو زمینه جداکردن فلزای حیاتی باتری

به همین خاطر، یکی از زمینه‌های پژوهشی که آزمایشگاه شلتر روش کار می‌کنه، جداکردن فلزای حیاتی باتری، مثل نیکل و کبالته. تو یه مقاله تازه که تو مجله‌ی Chem چاپ شده، گروه شلتر و همکاراش تو دانشگاه نورث‌وسترن، «یه روش ساده‌تر، پایدارتر و ارزون‌تر برای جداکردن هر دو» رو از موادی که قبلاً فقط آشغال دونسته می‌شدن، معرفی کردن.

شلتر می‌گه: «شیمیِ ما جذابه چون ساده‌اس، خوب کار می‌کنه و به‌خوبی نیکل و کبالت رو جدا می‌کنه – یکی از سخت‌ترین کارای جداسازی تو این زمینه.» اون ادامه می‌ده: «این روش دو تا مزیت مهم داره: افزایش ظرفیت تولید کبالت خالص از عملیات استخراج با کمترین آسیب به محیط زیست و ارزش‌دادن به باتریای دورریختنی با فراهم‌کردن یه روش کارآمد برای جداکردن نیکل و کبالت.»

اجزای مناسب واسه جداسازی انتخابی

محققین می‌گن که معمولاً کبالت رو به‌عنوان یه محصول جانبی از استخراج نیکل، از طریق روشای هیدرومتالورژیکی مثل شستشوی اسیدی و استخراج با حلال به‌دست میارن، که تو این روشا کبالت و نیکل از سنگ معدن جدا می‌شن. این روش انرژی‌بره و آشغال خطرناک تولید می‌کنه. فرآیندی که شلتر و تیمش واسه حل‌کردن این مشکل درست کردن، بر اساس یه تکنیک جداسازی شیمیایی هست که از تفاوتای چگالی بار و پیوند بین دو تا کمپلکس مولکولی استفاده می‌کنه: کمپلکس هگزامین کبالت (III) و کمپلکس هگزامین نیکل (II).

شلتر می‌گه: «خیلی از کارای شیمی مربوط به جداسازی، به نشون‌دادن تفاوتای بین چیزایی که می‌خوای جدا کنی بستگی داره.» تو این مورد، ما شرایطی رو پیدا کردیم که آمونیاک، که نسبتاً ساده و ارزونه، به طور متفاوتی به کمپلکسای هگزامین نیکل و کبالت وصل می‌شه. با اضافه‌کردن یه مولکول منفی خاص، یا آنیون، مثل کربنات، به سیستم، اونا یه ساختار جامد مولکولی درست کردن که باعث می‌شه کمپلکس کبالت از محلول جدا و رسوب کنه، درحالی‌که کمپلکس نیکل حل‌شده باقی می‌مونه.

پژوهشای جدید تو جداسازی کربنات و کبالت

تحقیقات نشون داد که آنیون کربنات به‌طور انتخابی با کمپلکس کبالت تعامل می‌کنه و با درست‌کردن پیوندهای هیدروژنی قوی، رسوب پایداری به‌وجود میاره. بعد از رسوب‌کردن، جامدِ سرشار از کبالت از طریق فیلتراسیون جدا می‌شه و با آمونیاک شسته و خشک می‌شه. محلول باقی‌مونده شامل نیکله که می‌تونه به‌طور جداگانه پردازش بشه. این فرآیند نه‌تنها خلوص بالایی واسه هر دو فلز به‌دست میاره – ۹۹٫۴٪ واسه کبالت و بیشتر از ۹۹٪ واسه نیکل – بلکه از استفاده از حلالای آلی و اسیدای قوی که معمولاً تو روشای جداسازی قدیمی استفاده می‌شدن، جلوگیری می‌کنه، اینا رو بویان (بابی) ژانگ، نویسنده اول و دانشجوی دکتری دانشکده هنر و علوم دانشگاه پن و محقق مؤسسه واگلس واسه علوم و فناوری انرژی، می‌گه. این یه روش ساده و قابل‌اجراست که مزایای زیست‌محیطی و اقتصادی داره.

تحلیلای اقتصادی و چرخه زندگی

واسه ارزیابی عملی‌بودن روشِ جدیدشون، گروهی تحت رهبری مارتا گورون، تحلیلای اقتصادی و ارزیابی چرخه زندگی رو انجام دادن. تحلیل اقتصادی نشون داد که هزینه تخمینی تولید واسه هر گرم کبالت خالص ۱٫۰۵ دلاره که خیلی کمتر از ۲٫۷۳ دلار به ازای هر گرم تو فرآیند جداسازی قبلیه. ما رو کاهش هزینه‌های شیمیایی تمرکز کردیم و از مواد شیمیایی در دسترس استفاده کردیم که این روشو به‌طور بالقوه رقابتی با فناوریای موجود می‌کنه، شلتر می‌گه. ارزیابی چرخه زندگی نشون داد که حذف مواد شیمیایی آلی فرار و حلالای خطرناک به‌این فرآیند کمک می‌کنه که خطرات زیست‌محیطی و سلامتی رو به‌طور قابل‌توجهی کم کنه، که این موضوع با معیارهایی مثل پتانسیل تشکیل دود و پتانسیل سمیت انسانی از طریق استنشاق تأیید شد، که این فرآیند حداقل یه مرتبه بهتر از روشای قبلی عمل کرد. این به‌معنی کاهش انتشار گازای گلخانه‌ای و آشغالای خطرناکه که یه پیروزی گنده واسه محیط زیست و سلامت عمومی به‌حساب میاد، ژانگ می‌گه.

راه روشن‌تر به جلو

به‌خاطر این‌که گروه چطوری جداسازیشونو انجام دادن، شلتر می‌گه که جنبه‌های علمی اساسی و هیجان‌انگیزی تو این کار وجود داره که فک می‌کنیم می‌تونن اون رو تو جهات مختلفی پیش ببرن، حتی واسه مشکلای جداسازی فلزای دیگه. بر اساس مجموعه‌ای منحصربه‌فرد از اصول شناسایی مولکولی که تو این کار شناسایی کردیم، فکر می‌کنم می‌تونیم این کارو تو جهات مختلفی گسترش بدیم، اون می‌گه. ما می‌تونیم اون رو به مشکلات جداسازی فلزای دیگه اعمال کنیم و درنهایت نوآوریای گسترده‌تری تو شیمی پایدار و بازیابی مواد به‌وجود بیاریم.

اریک شلتر استاد شیمی تو دپارتمان شیمی دانشکده هنر و علوم دانشگاه پنه. بویان (بابی) ژانگ محقق مؤسسه واگلس واسه علوم و فناوری انرژی تو گروه شلتر تو پنه. مارتا گورون مدرس وابسته تو دپارتمان شیمی و مدیر پروژه تو دفتر ایمنی محیطی و تابشه. بقیه نویسنده‌ها شامل اندرو جی. آن، مایکل آر. گاو و الکساندر بی. وبِرگ از پن و لایتون او. جونز و جورج سی. شاتز از دانشگاه نورث‌وسترنن. این تحقیق با حمایت مؤسسه واگلس واسه علوم و فناوری انرژی تو پن، برنامه یکپارچه واگلس تو تحقیقات انرژی در پن، مرکز بنیاد ملی علوم (جایزه CHE-1925708)، مرکز مواد پیشرفته واسه سیستم‌های آب و انرژی وزارت انرژی ایالات متحده (کمک هزینه ۸J-30009-0007A) و مؤسسه تحقیقاتی واسه پیشرفت علوم (جایزه #CS-SEED-2024-022) انجام شده.