إعادة تدوير بطاريات الليثيوم أيون المستهلكة: نظرة عام 2023

يؤثر احتراق الوقود الأحفوري في البيئة. وتختلف نواتجه حسب نوع الوقود وظروف الاحتراق، وتشمل ثاني أكسيد الكربون والماء وأول أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين والكبريت. تضر ملوثات عدة بالصحة، بينما تسهم انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في الاحترار العالمي. تستعرض هذه المقالة إعادة تدوير البطاريات وأمثلة للشركات من منظور عام 2023.

يزيد التحول عن الوقود الأحفوري الطلب على البطاريات. وكان توقع تاريخي ورد في المقالة الأصلية يقدر نمو حجم سوق البطاريات العالمي من 112 مليار دولار أمريكي في 2021 إلى 424 ملياراً في 2030. وهذا توقع قديم، لا إيرادات متحققة لعام 2023. وشمل بطاريات الليثيوم أيون والزنك-ثاني أكسيد المنغنيز والرصاص الحمضية والنيكل-هيدريد الفلز والنيكل-كادميوم والصوديوم-كبريت والنيكل-زنك وبطاريات الرصاص الصغيرة المغلقة وبطاريات التدفق.

في ذلك التوقع، كانت بطاريات الليثيوم أيون والرصاص الحمضية تمثل الحصتين الأكبر، وتتقاسم التقنيات الأخرى الباقي.

من إجمالي 424 مليار دولار المتوقع لعام 2030، خُصص نحو 257 ملياراً لليثيوم أيون و121 ملياراً للرصاص. وبالحساب على هذه الأرقام المقربة، تبلغ الحصتان نحو 60.6% و28.5%، ومجموعهما 89.2%. ولذلك يبقى نحو 10.8% للتقنيات الأخرى، لا 13%.

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.

تتميز بطاريات الرصاص بطاقة نوعية أقل من بطاريات الليثيوم أيون وقد ينخفض أداؤها في البرد. لكن انخفاض تكلفتها ونضج تقنيتها يجعلانها مفيدة لبدء تشغيل المركبات والطاقة الاحتياطية والأحمال المساعدة. ويتوقف العمر والكفاءة على التصميم وطريقة الاستخدام.

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.

للبطاريات عمر تشغيلي محدود. وعندما لا تعود ملائمة لوظيفتها الأصلية، يجب تقييم إمكان إعادة استخدامها أو تسليمها إلى منظومة مناسبة للجمع وإعادة التدوير. لذلك تمثل إدارة الخلايا المستهلكة تحدياً متزايداً مع انتشار الاعتماد على الكهرباء.

العمر التشغيلي للبطاريات: نظرة موجزة

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.

تنتمي بطاريات المركبات الكهربائية إلى العائلة التقنية العامة نفسها لكثير من بطاريات الهواتف والحواسيب، لكن تصاميمها وأنظمة إدارتها تختلف. وتوفر تقنية الليثيوم أيون طاقة مرتفعة نسبة إلى الكتلة والحجم وكفاءة جيدة وتفريغاً ذاتياً منخفضاً. وإدارة الحرارة مهمة؛ فالحرارة المرتفعة ليست مفيدة عموماً وقد تسرع تدهور البطارية.

قد تضم حزمة المركبة الكهربائية مئات الخلايا أو آلافها بحسب التصميم؛ ولا تتجاوز كل الحزم ألفي خلية. وفي 2022، وصفت National Grid عمراً متوقعاً يقارب 100–200 ألف ميل، أي نحو 160–320 ألف كيلومتر، وفترة 15–20 سنة في السيارة. وهذه تقديرات، لا ضمان لكل بطارية؛ فالعمر الفعلي يتأثر بالكيمياء ودرجة الحرارة والاستخدام.

مخاطر التعامل مع خلايا البطاريات المستهلكة

توضح وكالة حماية البيئة الأمريكية أن معظم بطاريات الليثيوم أيون المتخلص منها قد تستوفي تعريف النفايات الخطرة القابلة للاشتعال والتفاعل بموجب قانون حفظ الموارد واستعادتها RCRA. وللنفايات المنزلية استثناء قانوني، لكنه لا يلغي خطر الحريق. وحتى البطارية التي تبدو فارغة قد تحتفظ بطاقة خطرة. ويجب تسليمها إلى جمع مناسب للبطاريات، لا وضعها في القمامة المنزلية أو حاويات إعادة التدوير المعتادة.

قد تسرب الخلايا التالفة الإلكتروليت وتسبب مخاطر كيميائية أو حرائق. ولا ينبغي الخلط بين بطاريات الليثيوم أيون والبطاريات المحتوية على الليثيوم المعدني. ويجب اتباع تعليمات المصنع والجهة المستقبلة عند التعامل مع البطاريات التالفة. كما تتيح إعادة التدوير استعادة مواد قيمة وتقليل العبء البيئي.

درست ورقة علمية من 2013 ست عشرة بطارية هاتف محمول باختبارات ترشيح معيارية وتقييمات للمخاطر. ووجدت كميات مرتفعة من الألمنيوم والكوبالت والنحاس. وفي عينات الليثيوم أيون، بلغ متوسط الرصاص في سائل الترشيح 6.29 ملغ/لتر، بانحراف معياري 11.1 ملغ/لتر، مقارنة بحد 5 ملغ/لتر. وهذه نتيجة للعينات المدروسة وليست محتوى الرصاص العام لجميع بطاريات السيارات الكهربائية الحديثة.

وقارنت الدراسة التركيزات الكلية بحدود كاليفورنيا: الكوبالت بمتوسط 163,544 ملغ/كغ (انحراف معياري 62,897؛ الحد 8,000)، والنحاس 98,694 ملغ/كغ (28,734؛ الحد 2,500)، والنيكل 9,525 ملغ/كغ (11,438؛ الحد 2,000). تخص النتائج تلك العينات. وتختلف كيمياء البطاريات؛ فكاثودات فوسفات حديد الليثيوم مثلاً لا تحتوي على الكوبالت أو النيكل.

وسجلت الدراسة أيضاً تجاوزات لحدود الترشيح في كاليفورنيا للكروم والرصاص والثاليوم في عينات فُحصت. تشير هذه النتائج إلى مخاطر صحية وبيئية محتملة. وتقلل استعادة المواد كذلك فقدان الموارد والحاجة إلى استخراج مواد جديدة.

انقر هنا لتتعرف على كل ما يتعلق بتقنية البطاريات.

كيف تُعاد معالجة خلايا البطاريات المستهلكة؟

يمكن أن يؤدي التعامل غير السليم مع الخلايا المستهلكة إلى قصر كهربائي وحريق وغازات سامة. لذلك تتطلب إعادة التدوير معدات ملائمة وعمليات خاضعة للرقابة.

يمكن لإعادة التدوير الفعالة أن تقلل التلوث وتوفر مصدراً ثانوياً للمواد الحرجة. وفي نوفمبر 2023، عرض باحثون في مختبر أوك ريدج الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية طريقة مختبرية لبطاريات الليثيوم أيون.

الطريقة المختبرية تستخدم حمض الستريك المذاب في إيثيلين غليكول لترشيح المعادن وفصلها من مادة الكاثود المستعملة. يوجد حمض الستريك في الحمضيات، لكن إيثيلين غليكول ضار بالصحة. وهذه عملية كيميائية مضبوطة، وليست تعليمات لغمر حزم بطاريات كاملة في المنزل. والكاثود هنا هو القطب الموجب أثناء التفريغ.

وصف ORNL الكاثود بأنه مكوّن مرتفع التكلفة قد يمثل في السياق المدروس أكثر من 30% من تكلفة البطارية. وفي التجربة، رُشّح تقريباً كل الكوبالت والليثيوم دون إدخال شوائب، ثم استُعيد أكثر من 96% من الكوبالت خلال ساعات دون مواد إضافية لضبط الحموضة يدوياً. الترشيح والاستعادة نتيجتان مختلفتان، ولا تمثل التجربة معدل إعادة تدوير تجارياً لحزم كاملة.

وفقًا للباحث لو يو، القائد الرئيسي في المشروع:

«هذه أول مرة يؤدي فيها نظام محلول واحد وظيفتي الترشيح والاستعادة معاً».

تحتاج هذه الطرق إلى مزيد من التطوير للاستخدام الصناعي. لكن شركات عدة كانت تعمل بالفعل في 2023 على إعادة تدوير بطاريات الليثيوم أيون المستهلكة. والأمثلة التالية تاريخية.

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.

تصف ABTC عملية لتنقية المعادن إلى جودة مناسبة للبطاريات. وبحسب الشركة، يستهدف التصميم تجنب الصهر عالي الحرارة وتقليل الانبعاثات والنفايات ومتطلبات رأس المال. وهذه أوصاف الشركة لمزايا التقنية، لا دليل على انعدام الأثر البيئي للنشاط كله. وتُضبط السعة وفق كميات مخلفات البطاريات المتاحة.

تناول تقرير الربع الأول من السنة المالية 2024، المنشور في 15 نوفمبر 2023، الفترة المنتهية في 30 سبتمبر 2023. ووصف بدء تشغيل أول منشأة تجارية لإعادة التدوير لدى ABTC. وكانت 20 ألف طن سنوياً سعتها الاسمية عند بلوغ التشغيل الكامل، لا كمية سنوية متحققة بالفعل.

كانت ABTC قد تعاقدت آنذاك على أربعة مشروعات مدعومة من وزارة الطاقة، اثنين سابقين واثنين جديدين، بنحو 70 مليون دولار من الدعم الفيدرالي المتعاقد عليه. وتعوض المنح النفقات المؤهلة وليست دفعة واحدة غير مشروطة. وبدأ تداول السهم في ناسداك في 21 سبتمبر 2023.

ذكرت المقالة الأصلية في 2023 سعراً للسهم يبلغ 3.99 دولار أمريكي وقيمة سوقية تتجاوز 188 مليون دولار. وهذه أرقام تاريخية، بينما قد تعرض وحدات السعر بيانات أحدث.

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.

تجمع Lithion بين الإنتاج الميكانيكي لمركز المواد الحرجة والمعالجة بالاستخلاص المائي للمعادن. وقد أوردت الشركة في وصف العملية استعادة أكثر من 98% من المركز المعدني. وتختلف المردودات بين المراحل والمواد. وتشمل المواد الليثيوم والكوبالت والنيكل والغرافيت والمنغنيز، ولا تتحول جميعها إلى المنتج النهائي نفسه.

ذكرت Lithion في تعاونها مع GM عام 2022 أن تحليل دورة حياة باستخدام كهرباء كيبيك أظهر انخفاض انبعاثات الغازات الدفيئة بأكثر من 75% واستخدام المياه بأكثر من 90% مقارنة باستخراج مواد البطاريات من المناجم. هذه أرقام الشركة لعملية ومقارنة محددتين، وليست ضماناً لكل إعادة تدوير.

في أبريل 2022، تلقت Lithion تمويلًا قدره 22.5 مليون دولار كندي من حكومة كيبيك: 15 مليوناً استثماراً في رأس المال عبر Investissement Québec و7.5 ملايين منحاً من Fonds d’électrification et de changements climatiques.

3. Ecobat

وصفت المقالة الأصلية شبكة Ecobat التاريخية بأنها تضم 65,000 نقطة جمع، ونحو 15 ألف عميل أو عضو، مع إعادة تدوير 120 مليون بطارية سنوياً. تخص الأرقام النشاط الواسع للشركة، ولا سيما الرصاص، لا الليثيوم أيون وحده أو نتيجة حالية متحققة جرى التثبت منها.

ذكرت المقالة أيضاً 100 مركبة جمع و11 منشأة صهر. وهذه بيانات تاريخية لا تعني أن جميع المنشآت تعالج الليثيوم أيون. ونسبة قابلية إعادة التدوير القريبة من 99% تخص مواد بطاريات الرصاص. وذكرت Ecobat أن أكثر من 80% من الرصاص المستعاد يعود لصناعة البطاريات؛ وليست هذه نسبة عامة لاستعادة مواد الليثيوم أيون.

وصفت Ecobat نفسها بأنها شركة عالمية بارزة في إعادة تدوير البطاريات. وبحسب الشركة، أعاد نشاط بطاريات الرصاص تدوير 70 مليون بطارية سيارة في عام 2021.

4. Cirba Solutions

جمعت Cirba Solutions خبرات Battery Solutions وHeritage Battery Recycling وRetriev Technologies، ووصفت خبرتها الإجمالية بنحو 60 عاماً. وشمل نشاطها الجمع والخدمات اللوجستية واستعادة المواد ومعالجة بطاريات الليثيوم.

تعالج الشركة كيميائيات متعددة، مع الكوبالت أو بدونه. وذكرت المقالة الأصلية معالجة تراكمية تزيد على 36 مليون رطل من بطاريات الليثيوم أيون على مدى أكثر من 30 عاماً. وهذا رقم تاريخي تراكمي، لا كمية سنوية أو إجمالي حالي جرى التثبت منه.

في 9 فبراير 2023، أتمت Marubeni استثمار حصة أقلية في Cirba بقيمة 50 مليون دولار أمريكي. وكان استثماراً محدداً في 2023، لا بالضرورة أحدث جولة تمويل للشركة.

خلايا البطاريات المستهلكة: الاحتياجات المقبلة

يزيد انتشار المركبات الكهربائية والإلكترونيات الحاجة إلى إعادة تدوير البطاريات. وقدّر توقع قديم ورد في المقالة ارتفاع الطلب على الليثيوم أيون نحو سبعة أضعاف بين 2022 و2030، وصولاً إلى 4.7 تيراواط ساعة في 2030. وهذا توقع، لا طلب متحقق جرى قياسه.

وصفت المقالة الصين بأنها تمتلك آنذاك أكثر من ثلاثة أرباع الطاقة التصنيعية العالمية، مع خطط توسع في أمريكا الشمالية وأوروبا. وهذه صورة تاريخية للسوق. وتلزم جهود منسقة لجعل إعادة التدوير متاحة ومستدامة وتقليل التلوث وفقدان الموارد.

في 2023، كانت الصين تفرض قواعد لمسؤولية المصنعين عن بطاريات المركبات في نهاية عمرها. وكان للاتحاد الأوروبي أيضاً متطلبات للجمع واستعادة المواد. وتتوقف الالتزامات المطبقة على المكان والتاريخ.

يمكن لإعادة الاستخدام أن تمنح البطاريات المناسبة مرحلة خدمة جديدة قبل استعادة موادها. ومن الأمثلة نظام التخزين في ملعب يوهان كرويف بأمستردام الذي بدأ العمل في 2018. وهو يجمع ما يعادل 148 بطارية نيسان ليف جديدة ومستعملة و4,200 لوحة شمسية. تبلغ قدرته 3 ميغاواط وسعته الطاقية 2.8 ميغاواط ساعة؛ فالميغاواط ليس وحدة الطاقة المخزنة. ويتوقف تشبيه الشحن بنصف مليون هاتف iPhone على سعة بطاريات الهواتف ولا يضمن مدة محددة للطاقة الاحتياطية.

تحتاج الإدارة المستدامة للبطاريات في نهاية عمرها إلى تعاون شركات السيارات والإلكترونيات وجهات إعادة التدوير والقطاع العام. والجمع وتقييم قابلية إعادة الاستخدام والاستعادة الفعالة للمواد مراحل مختلفة في الدورة نفسها.

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