معالجة معضلة بطاريات الليثيوم أيون: التخلص من خلايا البطاريات المعطلة في عالم يزداد كهربائيًا

من المعروف أن حرق الوقود الأحفوري يؤثر على بيئتنا. لا يقتصر مكوّن هذا الوقود على الكربون فقط، بل يحتوي أيضًا على الهيدروجين والنيتروجين والكبريت. عند احتراقه، يطلق الوقود الأحفوري مزيجًا من أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون والماء، إلى جانب أكسيدات النيتروجين والكبريت. هذه المواد، خصوصًا السامة عند تركيزات عالية، تشكل تهديدات خطيرة للصحة والسلامة. ومن الجدير بالذكر أن انبعاث ثاني أكسيد الكربون يُعد مساهمًا رئيسيًا في الاحتباس الحراري، مما يبرز الأثر البيئي لحرق الوقود الأحفوري.

أدى الحاجة إلى الابتعاد عن الوقود الأحفوري إلى زيادة الطلب على البطاريات بشكل أسي. وعكسًا لهذا الاتجاه، يتوقع الباحثون أن ينمو حجم سوق البطاريات العالمي من 112 مليار دولار أمريكي في عام 2021 إلى 424 مليار دولار أمريكي في عام 2030. يشمل السوق عدة فئات من البطاريات، مثل بطاريات الليثيوم أيون، أكسيد الزنك-منغنيز، بطاريات الرصاص الحمضية، بطاريات النيكل-معدن هيدريد، بطاريات النيكل-كادميوم، بطاريات الصوديوم-كبريت، بطاريات النيكل-زنك، بطاريات الرصاص الحمضية الصغيرة المغلقة، بطاريات التدفق، وغيرها.

مع ذلك، تشكل بطاريات الليثيوم أيون والرصاص الحمضية الحصة الأكبر من مشهد سوق البطاريات هذا، مما يترك الفئات الأخرى في الذيل الطويل.

إذا نظرنا إلى حجم السوق البالغ 424 مليار دولار أمريكي لعام 2023، فإن أكثر من 257 مليار دولار، أي أكثر من 60٪ من إجمالي سوق البطاريات، سيشغله بطاريات الليثيوم أيون. وأكثر من 121 مليار دولار، أي 27٪ من السوق، سيشغله بطاريات الرصاص الحمضية. هاتان الفئتان معًا تشكلان أكثر من 87٪ من السوق، مما يترك نحو 13٪ فقط لبقية الفئات للتنافس عليها.

أين تُستخدم هذه البطاريات؟

تُوجد بطاريات الليثيوم أيون عادةً في معظم الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية المحمولة حولنا، بما في ذلك الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة. كما أنها الخيار الأساسي للأغلبية العظمى من المركبات الكهربائية بالكامل والسيارات الهجينة القابلة للشحن (PHEVs)، التي تكتسب زخماً بسرعة ملحوظة.

من ناحية أخرى، لا تكون بطاريات الرصاص الحمضية فعّالة مثل بطاريات الليثيوم أيون. فهي ذات طاقة نوعية منخفضة، ولا تؤدي أداءً جيدًا في ظروف درجات الحرارة المنخفضة، وتتمتع بدورة حياة أقصر. يُعزى انتشار استخدامها إلى انخفاض تكلفتها. ومع ذلك، يجري حاليًا تطوير بطاريات رصاص حمضية متقدمة—في الوقت الحالي—لاستخدامها في المركبات التجارية التي تعمل بالكهرباء لتشغيل الأحمال المساعدة.

تُستخدم بطاريات النيكل-معدن هيدريد في الحواسيب والمعدات الطبية، وتلعب دورًا مهمًا أيضًا في المركبات الهجينة الكهربائية. ومع الزيادة المستمرة في استخدام السلع الإلكترونية والارتفاع المتواصل في حصة السوق للمركبات الكهربائية، من المتوقع أن يزداد استخدام البطاريات بشكل لا مفر منه.

مع ذلك، فإن لهذه البطاريات عمر افتراضي محدود وفي النهاية تحتاج إلى التخلص منها. وهذا يشكل تحديًا في عالم يزداد كهربائيةً—التخلص من خلايا البطاريات المعطلة. توجد حلول، ولكن قبل استكشافها بشكل أعمق، من الضروري فحص السبب الجذري بعمق أكبر.

عمر الرف للبطاريات: نظرة سريعة

قد تختلف البطاريات في سعتها، ومكان استخدامها، والمواد التي تتكون منها. كل عامل يلعب دورًا في مدة بقاء البطارية. الفئة الأكثر شيوعًا من البطاريات هي بطاريات الليثيوم أيون. وتُعد المركبات الكهربائية الفئة التي تستخدم هذه البطاريات على نطاق واسع.

تشبه البطاريات التي تستخدمها المركبات الكهربائية تلك المستخدمة في هواتفنا المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة. تتمتع بالعديد من المزايا، بما في ذلك طاقة عالية لكل وحدة وزن وحجم مقارنة بأنظمة تخزين الطاقة الكهربائية الأخرى، نسبة قوة إلى وزن مرتفعة، كفاءة طاقة عالية، أداء فعال في درجات الحرارة العالية، عمر طويل، وانخفاض معدل التفريغ الذاتي.

تستفيد بطاريات المركبات الكهربائية من حزم تتألف من أكثر من ألفي خلية ليثيوم أيون تعمل معًا. كل حزمة بطارية مصممة لتحتفظ بقدرتها على الشحن والتفريغ ما بين 100,000 إلى 200,000 ميل. وعند قياسها بالسنوات، فإن معظم بطاريات المركبات الكهربائية تمتلك توقع عمر يتراوح بين 15 إلى 20 سنة داخل السيارة.

مخاطر التخلص من خلايا البطاريات المعطلة

وفقًا لوكالة حماية البيئة الأمريكية، فإن معظم بطاريات الليثيوم أيون تُصنّف كنفايات خطرة وفقًا لقانون حفظ الموارد وإعادة التدوير (RCRA). بمجرد التخلص منها، غالبًا ما تكون هذه البطاريات قابلة للاشتعال وتفاعلية. وعلى الرغم من مظهرها كأنها فارغة تمامًا وقابلة للتخلص منها من قبل المستخدم، إلا أن بطاريات الليثيوم أيون غالبًا ما تحتفظ بشحنات كبيرة، مما يشكل خطرًا.

علاوة على ذلك، يمكن أن تكون البطاريات الليثيوم التالفة وغير المختومة بالكامل خطرة جدًا إذا تلامست مع الماء أثناء التخلص. يضيف المحتوى المعدني الكبير في بطاريات الليثيوم أيون، الذي يصعب إزالته ويضر بالبيئة، إلى القلق.

أظهر تقرير تقييم علمي أن بطاريات الليثيوم أيون تحتوي على تركيزات عالية من الألمنيوم والكوبالت والنحاس. وتكشف دراسات إضافية عن الطبيعة الخطرة للبطاريات المعطلة بسبب محتواها من الرصاص (متوسط 6.29 ملغ/لتر؛ σ = 11.1؛ الحد 5).

وفقًا للوائح كاليفورنيا، فإن وجود مستويات مفرطة من الكوبالت (متوسط 163,544 ملغ/كغ؛ σ = 62,897؛ الحد 8,000)، والنحاس (متوسط 98,694 ملغ/كغ؛ σ = 28,734؛ الحد 2,500)، والنيكل (متوسط 9,525 ملغ/كغ؛ σ = 11,438؛ الحد 2,000) يجعل جميع بطاريات الليثيوم تُصنّف كخطرة.

تتجاوز تركيزات الكروم والرصاص والثاليوم المتسربة في هذه البطاريات حدود تنظيمات كاليفورنيا. إلى جانب إحداث سمية للإنسان والبيئة المحيطة، تتسبب بطاريات الليثيوم أيون أيضًا في استنزاف الموارد، وهو قلق جسيم يواجه مستقبلنا.

انقر هنا لتتعرف على كل ما يتعلق بتقنية البطاريات.

كيفية إعادة تدوير خلايا البطاريات المعطلة؟

تستدعي المخاطر التي يسببها التخلص من خلايا البطاريات المعطلة إعادة التدوير. ومع ذلك، قد تكون عملية إعادة تدوير بطارية معطلة خطرة. يمكن أن يؤدي التعامل غير السليم مع خلايا البطاريات المعطلة إلى حدوث قصر كهربائي، واحتراق، وإطلاق غازات سامة.

تكمن الفكرة في أساليب إعادة التدوير الفعّالة، التي لا تمنع التلوث فحسب، بل تخلق أيضًا فرصًا لتوليد تدفق ثانوي مستدام من المواد الحرجة. وقد طور باحثون يعملون في مكتبة أوك ريدج الوطنية التابعة لوزارة الطاقة طريقة فعّالة لإعادة تدوير بطاريات الليثيوم أيون.

الحل يتضمن غمر البطارية المستهلكة في محلول من حمض الستريك الطبيعي، المتواجد في الفواكه الحمضية. يُذوب محلول حمض الستريك في إيثيلين غليكول، ويساعد الخليط على إجراء عملية فصل واسترداد عالية الكفاءة لفصل المعادن عن القطب الموجب (الكاثود) للبطارية.

تعني عملية استرداد فعّالة للقطب الموجب تقليل تكلفة البطارية، إذ يساهم الكاثود بأكثر من 30٪ من تكلفة البطارية بسبب احتوائه على مواد حرجة. يمكن لهذه الطريقة أن تستخلص تقريبًا كل الكوبالت والليثيوم من الكاثود دون تلويث النظام. وتستطيع استعادة أكثر من 96٪ من الكوبالت خلال ساعات. ولا يلزم إضافة المزيد من المواد الكيميائية لتوازن مستويات الحمض يدويًا.

وفقًا للباحث لو يو، القائد الرئيسي في المشروع:

 “هذه هي المرة الأولى التي يغطي فيها نظام حل واحد وظائف كل من الاستخلاص والاسترداد.”

إلى جانب هذه الجهود البحثية المعتمدة على المختبر، والتي ستُوسع إلى الإنتاج في المستقبل، قامت عدة شركات بالفعل بتولي مهمة إعادة تدوير بطاريات الليثيوم أيون المعطلة والمُتخلّص منها. سنستعرض بعضها في الفقرات التالية.

1. American Battery Technology Company

قامت شركة American Battery Technology Company (ABAT ) بابتكار عملية إعادة تدوير بطاريات مغلقة الحلقة لفصل واسترداد المواد الحرجة من البطاريات التي تقترب من نهاية عمرها القابل للاستخدام. ومع ذلك، لا تتوقف جهودهم عند الفصل والاسترداد.

تشمل العملية تنقية معادن هذه البطاريات لتصل إلى نفس مواصفات الجودة أو أعلى. وفقًا للشركة، يتميز نظامها بالعديد من المزايا التنافسية. يضمن التصميم الاستراتيجي عدم وجود عمليات بدرجات حرارة عالية ويمنع انبعاثات الملوثات الهوائية والسائلة. علاوة على ذلك، تتطابق مرافق إعادة التدوير مع معدلات الإنتاج في مرافق التصنيع، مما يولد نفايات قليلة ويتطلب تكاليف رأس مال منخفضة للإعداد.

قائمة التقرير المالي للربع الأول من 2024، كما نشرتها الشركة، تسلط الضوء على معالمها الرئيسية نحو عمليات توليد الإيرادات. ومن الجدير بالذكر أن الشركة صممت وشغّلت وبدأت عملياتها في أول مرفق إعادة تدوير على نطاق تجاري، مع قدرة اسمية تبلغ 20,000 طن متري سنويًا.

كما حصلت الشركة على منحتين من وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) بموجب عقد، ومؤخرًا أصبحت مؤهلة للحصول على منحتين إضافيتين، بإجمالي 70 مليون دولار أمريكي من الأموال الفدرالية المتعاقد عليها. وقد أدرجت أسهمها بنجاح وبدأت التداول في ناسداك في 21 سبتمبر 2023.

في وقت كتابة هذا المقال، كان سعر سهم شركة American Battery Technology Company يبلغ 3.99 دولارًا، وكان لديها قيمة سوقية تزيد عن 188 مليون دولار.

2. Lithion Technologies

تقوم Lithion Technologies بإنتاج مواد استراتيجية بشكل مستدام من بطاريات الليثيوم أيون. وتستطيع تقنيتها استرداد ما يصل إلى 95٪ من مكونات هذه البطاريات.

في الاستخلاص الميكانيكي، يمكن لـ Lithion استعادة أكثر من 98٪ من تركيز المعادن. ثم يُعالج تركيز المعادن الحرجة من خلال تقنيتها الحاصلة على براءة اختراع في الهيدروميتالورجيا. تتيح هذه العملية استرداد مواد أساسية مثل الليثيوم، والكوبالت، والنيكل، والجرافيت، والمنغنيز.

ومن اللافت أن Lithion تدعي أن تقنياتها تؤدي إلى تأثير بيئي أقل بكثير مقارنةً بالاستخراج التقليدي للتعدين. انبعاثات الغازات الدفيئة لديها أقل بنسبة 75٪ من تلك الخاصة بالاستخراج المعدني، وتقلل أيضًا من استهلاك المياه بنسبة مذهلة تصل إلى 90٪.

في أبريل 2022، تلقت Lithion تمويلًا قدره $22.5 مليون دولار من حكومة كيبيك، بما في ذلك استثمار أسهم بقيمة 15 مليون دولار في رأس مال الشركة عبر Investissement Québec، ومنح بقيمة 7.5 مليون دولار من Fonds d’électrification et de changements climatiques.

3. Ecobat

تعمل Ecobat عبر شبكة واسعة تضم 65,000 نقطة جمع لإدارة بطاريات نهاية العمر كجزء من حلول تخزين الطاقة المعاد تدويرها. وقد جمعت ما يقرب من 15,000 عضو أو عميل حتى الآن، وتعيد تدوير 120 مليون بطارية سنويًا.

لجمع البطاريات من النقاط المحددة، تمتلك Ecobat أسطولًا من 100 مركبة. ومع 11 منشأة صهر، تتعامل مع بطاريات الليثيوم، بطاريات الرصاص، وغيرها من تركيبات البطاريات. كما تمتلك Ecobat عملية استرداد دائرية مغلقة الحلقة، حيث يعود 80٪ من استردادها إلى تصنيع البطاريات. وتعد بنسبة قابلية إعادة تدوير تصل إلى 99٪.

تدعي Ecobat أنها أكبر شركة ‘مُعيد تدوير بطاريات’ في العالم تلبي احتياجات تخزين الطاقة الأساسية من خلال جعل أعمال البطاريات أكثر أمانًا واستدامةً لاقتصاد طاقة دائري. في عام 2021، أعادت شركة Ecobat لإعادة تدوير بطاريات الرصاص تدوير 70 مليون بطارية سيارة تمامًا.

4. Cirba Solutions

تمتلك Cirba Solutions خبرة إجمالية تبلغ 60 سنة في مجال إعادة التدوير عبر ثلاث علامات تجارية – Battery Solutions، Heritage Battery Recycling، وRetriev Technologies. وتعد واحدة من الرواد في إعادة تدوير بطاريات الليثيوم بفضل فريقها الخاص لإعادة التدوير، واللوجستيات المتمحورة حول البطاريات، ودورة حياة مغلقة الحلقة، ومرافق معالجة الليثيوم المتوفرة.

تمتلك الشركة عملية إعادة تدوير متخصصة تشمل حلولًا متعددة التركيب لكل من المكونات القائمة على الكوبالت وغير القائمة على الكوبالت. حتى الآن، قامت بمعالجة أكثر من 36 مليون رطل من بطاريات الليثيوم أيون على مدار أكثر من 30 عامًا.

وفقًا لأحدث البيانات المتاحة، جمعت Cirba مبلغًا قدره 50 مليون دولار أمريكي في جولتها الشركاتية الأخيرة في 9 فبراير 2023.

التخلص من خلايا البطاريات المعطلة: الأفق المستقبلي

ستصبح بطاريات الليثيوم أيون، الضرورية لتشغيل المركبات الكهربائية وتزويد الإلكترونيات الاستهلاكية الحديثة بالطاقة، أكثر انتشارًا بشكل متزايد. إحصائيًا، بين عامي 2022 و2030، سيزداد الطلب العالمي على بطاريات الليثيوم أيون بنحو سبع مرات تقريبًا، ليصل إلى 4.7 تيراواط ساعة في عام 2030.

من حيث الإنتاج، تسيطر الصين على أكثر من ثلاثة أرباع القدرة العالمية. ولا ستتأخر أمريكا الشمالية وأوروبا لفترة طويلة، إذ تسعيان أيضًا إلى زيادة الإنتاج بشكل كبير. لهذا السبب، ستحتاج الجهود العالمية المتكاملة والمنسقة جيدًا إلى ضمان أن تصبح عملية إعادة تدوير البطاريات متاحة ومستدامة، وعندها فقط سنتمكن من إنقاذ العالم من مخاطر التلوث واستنزاف الموارد.

على سبيل المثال، تُحمّل الصين صانعي السيارات مسؤولية “معالجة نهاية العمر” لبطاريات المركبات. ولا يبعد الاتحاد الأوروبي كثيرًا، فقد وضع معايير لجمع واسترداد البطاريات أيضًا.

ستساعد المزيد من الابتكارات في تطبيقات الحياة الثانية لهذه البطاريات على تجنب المخاطر الوشيكة لإعادة التدوير غير الفعّالة. لنختتم بإلقاء نظرة على مثال واحد. يستخدم نظام تخزين الطاقة في ساحة جوهان كرويف أمستردام ما يعادل 148 بطارية نيسان ليف جديدة ومستخدمة لالتقاط الطاقة من 4,200 لوحة شمسية وتخزين ما يصل إلى 3 ميجاواط من الطاقة. يكفي هذا الالتقاط لشحن نصف مليون هاتف iPhone كاحتياطي.

في الختام، يتطلب تحقيق الأهداف على المستوى العالمي مشاركة نشطة من الجميع. شركات السيارات، ومصنّعو الإلكترونيات الاستهلاكية، والهيئات الاقتصادية العالمية، ومجالس الدول—يجب على جميعهم أن يرفعوا أصواتهم من أجل إعادة تدوير واسترداد خلايا البطاريات المعطلة بشكل مستدام وفعّال.

انقر هنا لتتعرف على كيفية تمكين المركبات الكهربائية ليس فقط من مساعدة الأرض بل أيضًا إنقاذ الأرواح.