باتری‌های پاک‌تر با فناوری جدید: دانشگاه پن انقلابی در استخراج کبالت و نیکل

تحقیقات دانشگاه پن در مورد استخراج ایمن و پایدار مواد کلیدی برای فناوری‌های باتری

محققان دانشگاه پن، یک همکاری گسترده را رهبری کرده‌اند تا روش‌های ایمن‌تر و پایدارتری برای استخراج عناصری که برای فناوری‌های باتری حیاتی هستند، توسعه دهند. دستاوردهای این پژوهش، راه را برای استفاده از موادی که قبلاً به عنوان دورریز تلقی می‌شدند، هموار می‌کند. کتاب پرفروش سیدارت کارا با عنوان «کبالت سرخ: چگونه خون کنگو، زندگی ما را تأمین می‌کند»، به مسائل مرتبط با تأمین کبالت می‌پردازد. این عنصر یکی از اجزای اصلی باتری‌های لیتیوم-یونی است و در فناوری‌های مدرن، از تلفن‌های همراه و ضربان‌سازها گرفته تا خودروهای برقی، نقشی حیاتی دارد.

اریک شلتر، استاد شیمی در دانشگاه پنسیلوانیا، می‌گوید: “شاید خیلی از ما شنیده باشیم که باتری‌های لیتیوم-یونی برای ذخیره‌سازی انرژی بسیار مهم‌اند.” او ادامه می‌دهد: “اما نحوه تأمین موادی که این باتری‌ها از آن‌ها ساخته می‌شوند، می‌تواند نگران‌کننده و مشکل‌ساز باشد. هم از نظر اخلاقی و هم از نظر زیست‌محیطی.” شلتر اشاره می‌کند که استخراج کبالت در جمهوری دموکراتیک کنگو، که حدود ۷۰٪ کبالت جهان را تأمین می‌کند، به دلیل تخریب محیط زیست و شرایط کاری خطرناک، نگرانی‌هایی را به همراه دارد. علاوه بر این، استخراج در مقیاس بزرگ می‌تواند اکوسیستم‌ها را مختل، منابع آب را آلوده و آسیب‌های زیست‌محیطی طولانی‌مدتی ایجاد کند.

او همچنین خاطرنشان می‌کند که کمبود کبالت در آینده ممکن است زنجیره‌های تأمین جهانی را تحت فشار قرار دهد، چرا که تقاضا برای فناوری‌های باتری به طور مداوم در حال افزایش است. به همین دلیل، یکی از حوزه‌های تحقیقاتی که آزمایشگاه او روی آن متمرکز شده، جداسازی فلزات حیاتی برای باتری‌ها، مانند نیکل و کبالت است.

روش جدید برای جداسازی کبالت و نیکل

در مقاله‌ای که اخیراً در مجله Chem منتشر شده است، تیم شلتر و همکارانش در دانشگاه نورث‌وسترن، یک روش ساده‌تر، پایدارتر و ارزان‌تر برای جداسازی کبالت و نیکل از موادی که پیش‌تر به عنوان زباله در نظر گرفته می‌شد، ارائه کرده‌اند. شلتر می‌گوید: “شیمی ما جذاب است، چون ساده است، خوب کار می‌کند و نیکل و کبالت را به خوبی از هم جدا می‌کند – که یکی از دشوارترین مسائل جداسازی در این زمینه است.”

او ادامه می‌دهد: “این رویکرد دو مزیت اصلی دارد: افزایش ظرفیت تولید کبالت خالص از روش‌های استخراج که کمترین آسیب را به محیط زیست می‌رسانند و ایجاد ارزش افزوده از باتری‌های دور ریخته شده، با ارائه یک روش مؤثر برای جداسازی نیکل و کبالت.”

مواد لازم برای جداسازی انتخابی

محققان توضیح می‌دهند که معمولاً کبالت به عنوان یک محصول جانبی از استخراج نیکل از طریق روش‌های هیدرومتالورژی مانند شستشوی اسیدی و استخراج حلال به دست می‌آید. این روش‌ها کبالت و نیکل را از سنگ معدن جدا می‌کنند، اما انرژی‌بر هستند و زباله‌های خطرناک زیادی تولید می‌کنند. فرآیندی که شلتر و تیمش برای غلبه بر این مشکل توسعه دادند، بر اساس یک تکنیک جداسازی شیمیایی است که از تفاوت‌های در چگالی بار و پیوندهای بین دو کمپلکس مولکولی استفاده می‌کند: کمپلکس هگزامین کبالت (III) و کمپلکس هگزامین نیکل (II).

شلتر می‌گوید: “بسیاری از شیمی‌های جداسازی، به آشکار کردن تفاوت‌ها بین موادی که می‌خواهید جدا کنید، مربوط می‌شوند.” او اضافه می‌کند: “در اینجا، ما شرایطی را پیدا کردیم که در آن آمونیاک، که نسبتاً ساده و ارزان است، به طور متفاوتی با کمپلکس‌های هگزامین نیکل و کبالت ترکیب می‌شود.” با اضافه کردن یک مولکول خاص با بار منفی (آنیون)، نظیر کربنات به سیستم، آن‌ها یک ساختار جامد مولکولی ایجاد کردند که باعث می‌شود کمپلکس کبالت از محلول خارج شده و رسوب کند، در حالی که کمپلکس نیکل در محلول باقی بماند.

تحقیقات جدید در جداسازی کربنات و کبالت

تحقیقات نشان داد که آنیون کربنات به‌طور گزینشی با کمپلکس کبالت وارد تعامل می‌شود و با تشکیل پیوندهای قوی هیدروژنی، یک رسوب پایدار ایجاد می‌کند. پس از رسوب، جامد غنی از کبالت با فیلتر کردن جدا می‌شود و با آمونیاک شسته و خشک می‌گردد. محلول باقی‌مانده حاوی نیکل است که می‌تواند به‌طور جداگانه پردازش شود. این فرآیند نه تنها خلوص بالایی برای هر دو فلز، یعنی ۹۹.۴٪ برای کبالت و بیش از ۹۹٪ برای نیکل، به دست می‌آورد، بلکه از استفاده از حلال‌های آلی و اسیدهای خشن که معمولاً در روش‌های جداسازی سنتی به کار می‌روند، جلوگیری می‌کند. بویان (بابی) ژانگ، نویسنده اول و دانشجوی دکتری در دانشکده هنر و علوم دانشگاه پن و محقق مؤسسه وگلس برای علم و فناوری انرژی، می‌گوید: “این یک رویکرد ساده و مقیاس‌پذیر است که مزایای زیست‌محیطی و اقتصادی را ارائه می‌دهد.”

تحلیل‌های اقتصادی و چرخه عمر

برای ارزیابی عملی بودن روش جدیدشان در دنیای واقعی، تیم تحقیقاتی به رهبری مارتا گورون، تحلیل‌های اقتصادی و ارزیابی چرخه عمر را انجام دادند. تحلیل اقتصادی نشان داد که هزینه تولید تخمینی برای هر گرم کبالت خالص ۱.۰۵ دلار است، که به طرز چشمگیری کمتر از ۲.۷۳ دلار برای هر گرم است که در یک فرآیند جداسازی دیگر گزارش شده است. شلتر می‌گوید: “ما روی کاهش هزینه‌های مواد شیمیایی تمرکز کردیم و از مواد شیمیایی در دسترس استفاده کردیم که این روش را به‌طور بالقوه با فناوری‌های موجود قابل رقابت می‌کند.” ارزیابی چرخه عمر نشان داد که حذف مواد شیمیایی آلی فرار و حلال‌های خطرناک به این فرآیند کمک می‌کند تا به‌طور قابل توجهی خطرات زیست‌محیطی و بهداشتی را کاهش دهد. این موضوع با معیارهایی مانند پتانسیل تشکیل دود و پتانسیل سمیت انسانی از طریق استنشاق تأیید شد و این فرآیند حداقل یک مرتبه (۱۰ برابر) بهتر از روش‌های سنتی عمل کرد. به این معنی که انتشار گازهای گلخانه‌ای کمتر و زباله‌های خطرناک کمتری تولید می‌شود، که یک پیشرفت بزرگ برای محیط زیست و سلامت عمومی به‌شمار می‌رود. ژانگ اضافه می‌کند.

یک مسیر پاک‌تر به جلو

شلتر با اشاره به نحوه جداسازی این تیم، می‌گوید که جنبه‌های علمی اساسی جالبی در این کار وجود دارد که به نظرش می‌تواند این یافته‌ها را در جهات مختلف، حتی برای مشکلات جداسازی فلزات دیگر، هدایت کند. او می‌گوید: “با توجه به مجموعه‌ای منحصربه‌فرد از اصول شناسایی مولکولی که در طول این کار کشف کردیم، فکر می‌کنم می‌توانیم این روش را در زمینه‌های مختلف گسترش دهیم.” “ما می‌توانیم آن را برای مشکلات جداسازی فلزات دیگر به کار ببریم و در نهایت نوآوری‌های گسترده‌تری در زمینه شیمی پایدار و بازیابی مواد ایجاد کنیم.”

اریک شلتر، استاد شیمی در دپارتمان شیمی دانشکده هنر و علوم دانشگاه پن است. بویان (بابی) ژانگ محقق مؤسسه وگلس برای علم و فناوری انرژی در گروه شلتر در پن است. مارتا گورون، مدرس وابسته در دپارتمان شیمی و مدیر پروژه در دفتر ایمنی محیطی و تابش است. سایر نویسندگان این مقاله شامل اندرو جی. آن، مایکل آر. گاو و الکساندر بی. وِبِرگ از پن و لایتون او. جونز و جورج سی. شاتز از دانشگاه نورث‌وسترن هستند. این تحقیق با حمایت مؤسسه وگلس برای علم و فناوری انرژی در پن، برنامه یکپارچه وگلس در تحقیقات انرژی در پن، مرکز بنیاد ملی علوم (جایزه CHE-1925708)، مرکز مواد پیشرفته برای سیستم‌های انرژی و آب وزارت انرژی ایالات متحده (کمک هزینه ۸J-30009-0007A) و مؤسسه تحقیقاتی برای پیشبرد علم (جایزه #CS-SEED-2024-022) انجام شده است.