گتی ایماژ / ناتان استیرک / همکار
روزانه میلیون ها باتری لیتیوم یون از خط Tesla’s Gigafactory در Sparks ، نوادا خارج می شوند. این سلول ها که توسط سایت پاناسونیک در سایت تولید می شوند ، قرار است هزاران بسته باتری تسلا جدید به صورت یکجا جمع شوند. اما همه باتری ها برای یک زندگی در جاده قطع نشده اند. پاناسونیک کامیون هایی از سلول را حمل می کند که آزمایش صلاحیت خود را به تأسیساتی در کارسون سیتی ، حدود نیم ساعت رانندگی در جنوب ، منتقل نمی کنند. این خانه Redwood Materials است ، یک شرکت کوچک که در سال 2017 با هدف تبدیل شدن به ضد Gigafactory ، مکانی که در آن باتری ها را به مواد اولیه پخته می شود که به عنوان ماده اصلی برای سلول های جدید عمل می کنند ، تأسیس شد. Redwood بخشی از یک موج است استارت آپ های جدید برای حل مشکلی که هنوز واقعاً وجود ندارد ، مسابقه می دهند: چگونه می توان کوههای باتری را از وسایل نقلیه الکتریکی که از زمان بالاتری برخوردار هستند بازیافت. طی یک دهه گذشته ، ظرفیت تولید یون لیتیوم در جهان ده برابر افزایش یافته است تا تقاضای روزافزون خودروهای برقی را برآورده کند. اکنون وسایل نقلیه از آن موج تولید اول تازه شروع به رسیدن به پایان عمر خود کرده اند. این آغاز سونامی باتری های مصرف شده است که با ورود بیشتر اتومبیل های برقی به جاده ، وضعیت بدتر خواهد شد. آژانس بین المللی انرژی پیش بینی می کند در دهه آینده 800 درصد افزایش تعداد EV ها وجود داشته باشد ، هر اتومبیل مملو از هزاران سلول است. راز کثیف انقلاب EV این است که یک بمب اتلاف الکترونیکی ایجاد کرده است – و شکستن بازیافت یون لیتیوم تنها راه خنثی کردن آن است.
مدیر عامل و بنیانگذار Redwood ، J. B. Straubel ، مشکل را بیشتر از بیشتر درک می کند. از این گذشته ، وی نقش بسزایی در ایجاد آن داشت. استراوبل بنیانگذار شرکت است و تا سال گذشته CTO در تسلا بود ، شرکتی که وقتی شمارش همه کارمندانش از یک طرف امکان پذیر بود به آن پیوست. در طول مدت حضور او ، این شرکت از یک شرکت نوپا شروع به فروش اتومبیل های ورزشی کرد و تبدیل به با ارزش ترین سازنده اتومبیل روی کره زمین شد. در این راه ، تسلا به یکی از بزرگترین تولیدکنندگان باتری در جهان تبدیل شد. اما همانطور که استراوبل می بیند ، این باتری ها واقعاً مشکلی ندارند. وی می گوید: "فرصت اصلی این است كه به این ماده برای استفاده مجدد و بازیابی بیندیشیم." "با وجود این باتری های در گردش ، کاملاً واضح به نظر می رسد که در نهایت ما در حال ساخت یک اکوسیستم بازسازی هستیم." برای غیرفعال کردن باتری های لیتیوم یون ، دو روش اصلی وجود دارد. متداول ترین تکنیک که پیرومتالورژی نام دارد ، شامل سوختن آنها برای از بین بردن مواد آلی و پلاستیک ناخواسته است. این روش فقط بخشی از مواد اصلی را به بازیافت می دهد – به طور معمول فقط مس از جمع کننده های فعلی و نیکل یا کبالت از کاتد است. یک روش پیرو متداول ، ذوب نامیده می شود ، از کوره ای استفاده می شود که از سوخت های فسیلی تغذیه می کند ، که برای محیط زیست مناسب نیست و در نتیجه فرآیند آلومینیوم و لیتیوم زیادی از دست می دهد. اما این ساده است و کارخانه های ذوب که در حال حاضر برای فرآوری سنگ معدن از صنعت معدن وجود دارد ، قادر به اداره باتری ها هستند. از بخش کوچکی از باتری های لیتیوم یونی که در ایالات متحده بازیافت می شوند – فقط 5 درصد از سلولهای خرج شده – بیشتر آنها در کوره ذوب می شوند. روش دیگر هیدرومتالورژی نام دارد. شکل متداول این روش ، لیچینگ نامیده می شود ، شامل خیساندن سلولهای یون لیتیوم در اسیدهای قوی برای حل کردن فلزات در یک محلول است. از این طریق می توان مواد بیشتری از جمله لیتیوم را بازیابی کرد. اما شستشو با چالش های خاص خود همراه است. بازیافت ها باید سلول ها را پیش پردازش کنند تا پوسته های پلاستیکی ناخواسته را بردارند و شارژ باتری را تخلیه کنند ، که این باعث افزایش هزینه و پیچیدگی می شود. این بخشی از دلیل این است که از زمان ورود اولین سلول های تجاری به بازار در اوایل دهه 1990 ، باتری های لیتیوم یون مصرف شده به عنوان زباله رفتار می شوند. استخراج مواد جدید ، به ویژه لیتیوم ، اغلب چندین برابر ارزان تر از بازیابی آنها با شستشو است. Redwood برای بازیابی این مواد ارزشمند از ترکیبی از پیرومتالورژی و هیدرومتالورژی استفاده می کند. ابتدا تکنسین هایی که کت وشلوار حرارتی نقره ای بازتابنده دارند باتری را در مبدل ها می پزند تا فلزات از هم جدا شوند. به جای استفاده از سوخت های فسیلی برای سوزاندن مواد ، مانند یک فرآیند ذوب معمولی ، روش Redro's pyro از انرژی باقیمانده در باتری ها مانند مواد آلی موجود در الکترولیت برای هدایت فرآیند تبدیل استفاده می کند. چیزهایی که باقی مانده است یک آلیاژ فلز است که از طریق یک فرآیند هیدرومتالورژی فیلتر می شود تا ترکیبات جداگانه را بازیابی کند.
استراوبل حاضر به ذکر مشخصات تکنیک های بازیابی این شرکت نشد ، اما او ادعا می کند که می تواند بین 95 تا 98 درصد از نیکل ، کبالت ، مس ، آلومینیوم و گرافیت باتری و بیش از 80 درصد از لیتیوم آن را بازیابی کند. تا زمانی که باتری آن را از طریق مرکز بازیافت Redwood ساخته است ، به عناصر اصلی آن تبدیل شده است – کربنات لیتیوم ، سولفات کبالت و سولفات نیکل – که آماده هستند تا مجدداً در فرآیند تولید باتری ادغام شوند. استراوبل می گوید: "ما قصد داریم یک اکوسیستم بازسازی برای همه آن باتری ها بسازیم." "مواد می توانند تقریباً بی نهایت دوباره استفاده شوند. هیچ تخریب ذاتی برای اتمهای فلز وجود ندارد. "بسیاری از چالش های بازیافت یون لیتیوم از این واقعیت ناشی می شود که امکانات پردازش آنها به طور خاص برای پختن باتری ها طراحی نشده است. اما افراد پیشتاز بازیافت باتری انتظار دارند که ایجاد تسهیلات اختصاصی باعث بهبود اقتصاد این صنعت می شود. تیم جانستون ، بنیانگذار Li-Cycle ، بازیافت باتری کانادایی ، می گوید: "ما روی یک فرآیند سفارشی متمرکز شده ایم که به طور خاص برای باتری های یون لیتیوم طراحی شده است ، زیرا ما شاهد افزایش حجم هستیم." "از نظر تاریخی ، باتری ها به عنوان زباله در نظر گرفته می شدند و ما می خواهیم با تمرکز بر روی آنها به عنوان یک منبع ، آن را به عقب برگردانیم." Li-Cycle خود را به عنوان بزرگترین بازیافت یون لیتیوم در آمریکای شمالی معرفی می کند و روش دیگری نسبت به بازیابی دارد چوب قرمز روند آنها به طور کامل از مرحله پیرو عبور می کند و باتری را فقط با شستشو تصفیه می کند. در ابتدا ، آنها باتری ها را درون یک گودال می ریزند که همزمان آنها را تخلیه و خرد می کند. این یک ترکیب دانه ای تولید می کند که در صنعت به آن "جرم سیاه" گفته می شود که از مخلوطی از مواد الکترود ساخته شده است. بعد ، توده سیاه از یک حمام شیمیایی مرحله ای عبور می کند تا قفل فلزات جداگانه را باز کند. این فرآیند تقریباً همه چیز را به یک ماده اولیه قابل استفاده تبدیل می کند – پلاستیک جدا کننده باتری به پوسته تبدیل می شود ، جمع کننده های فعلی به ورقه های مس و آلومینیوم ، گرافیت از آند به یک کنسانتره کربن و مواد کاتد تبدیل می شود مانند نیکل ، کبالت و لیتیوم به طور جداگانه برای باتری های جدید بازیابی می شود. Li-Cycle خود را به عنوان بزرگترین بازیافت یون لیتیوم در آمریکای شمالی معرفی می کند و روش دیگری نسبت به Redwood برای بهبود دارد. فرآیند شرکت کاملاً از ذوب می گذرد و باتری را فقط با شستشو تصفیه می کند. در ابتدا ، آنها باتری ها را در یک گودال می ریزند که همزمان آنها را تخلیه و خرد می کند. در مرحله بعد ، سلول ها از طریق یک حمام شیمیایی مرحله ای عبور می کنند تا قفل فلزات محبوس در آنها باز شود. این فرآیند تقریباً همه چیز را به یک ماده اولیه قابل استفاده تبدیل می کند – پلاستیک جدا کننده باتری به پوسته تبدیل می شود ، جمع کننده های فعلی به ورقه های مس و آلومینیوم ، گرافیت از آند به یک کنسانتره کربن و مواد کاتد تبدیل می شود مانند نیکل ، کبالت و لیتیوم به صورت جداگانه برای باتری های جدید بازیابی می شوند.
جانستون می گوید: "ما مقدار قابل توجهی زباله تولید نمی کنیم." "ما هیچ مقدار قابل توجهی از میزان انتشار هوا تولید نمی کنیم ، هیچ پساب تولید نمی کنیم و همه چیز در دمای پایین انجام می شود. رد پا بسیار ناچیز است. "مسلماً مهمترین نوآوری در Li-Cycle فرآیندهای شیمیایی نیست بلکه طراحی خود امکانات بازیافت است. Li-Cycle از رویکرد "توپی و سخنگو" استفاده می کند ، که در آن باتری ها در سایت های مختلف در ایالات متحده و کانادا پیش پردازش می شوند ، هر یک از کارخانه های مدولار سلول ها را به جرم سیاه تبدیل می کند. بلندگوها این ماده بی اثر را به یک توپی مرکزی تغذیه می کنند ، جایی که آن را به مواد شیمیایی قابل استفاده برای درجه باتری تصفیه می کنند. امروز ، Li-Cycle با بلندگوهایی در انتاریو و روچستر کار می کند و به تازگی مجوز دولت را برای افتتاح اولین مرکز تجاری خود در نیویورک در سال 2022 دریافت کرده است. تجهیزات پردازش در هر سخنرانی در ظروف حمل و نقل بسته بندی می شود که می توانند در نزدیکی امکانات تولید باتری یا سایت های جمع آوری شهرداری برای به حداقل رساندن مسیری که باتری پس از اتمام آن باید طی کند. این سیستم یکی از مهمترین موانع بازیافت یون لیتیوم را که به سادگی انتقال زباله به محل مورد نیاز است ، کنار می زند. این باتری ها به طور فدرال به عنوان ماده خطرناک کلاس 9 تعیین می شوند ، این بدان معنی است که برای کاهش خطر آتش سوزی یا انفجارها در طول سفر تحت محدودیت های شدید و گران حمل و نقل قرار می گیرند. ذوب شدن و سفید شدن سریع ترین راه برای حل سریع رشد است با زباله های یون لیتیوم چالش دارد ، اما ممکن است بهترین راه حل ها نباشد. محصولات نهایی آنها مواد باتری هستند ، اما قبل از اینکه دوباره آماده ورود به سلول شوند ، این فرآورده ها هنوز به پردازش زیادی نیاز دارند. به عنوان مثال ، کاتد باتری برای افزایش کارایی مهندسی نانو است. بنابراین برخی از کارشناسان باتری در حال کار بر روی فرایندی به نام بازیابی مستقیم هستند که بدون از بین بردن ساختار نانو متبلور آن ، مواد کاتدی را نجات می دهد. این امر به طور چشمگیری هزینه استفاده مجدد از مواد را کاهش می دهد. در سال 2019 ، وزارت انرژی از آزمایشگاه ملی آرگون استفاده کرد تا مرکز ReCell خود را که متمرکز بر بهبود تکنیک های بازیافت یون لیتیوم است ، هدایت کند. یک قسمت اصلی از این هدف بازیافت مستقیم است. هنوز برای ReCell روزهای آغازین است ، اما دانشمندان در این مرکز چندین فرآیند بازیافت مستقیم را انجام داده اند که امیدوارند پتانسیل این روش را نشان دهد. آنها قبلاً با استفاده از بسیاری از این تکنیک ها در آزمایشگاه باتری مواد باتری را بازیابی کرده اند ، اما یک نسخه آزمایشی نیمکت نشین فقط اولین قدم برای دستیابی به روشی است که از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد. "هدف مرکز ارائه ایده ای است که بتواند صنعت را متقاعد کنید تا این کار را انجام دهد. "، لیندا گینس ، دانشمند ارشد مرکز ReCell و تحلیلگر سیستم های حمل و نقل در آزمایشگاه ملی آرگون می گوید. "ما باید به تمام س questionsالاتی که در صورت کوچک شدن به نظر می رسد پاسخ دهیم." چالش بازیافت مستقیم این است که سلول ها با توجه به بازیابی مواد طراحی نشده اند. در عوض ، آنها برای تولید انرژی برای مدت طولانی و تا حد ممکن ارزان ساخته شده اند. به طور کلی ، بازیافت حتی یک فکر پسین نیست. و این بسته بندی آنها را سخت می کند. سلولهای منفرد سیستم های پیچیده ای هستند که دارای چندین جز-متمایز از نظر شیمیایی هستند که در حجم کمی با هم مخلوط شده اند – که گاهی جوش خورده اند. استخراج اینها بدون کمک اسیدهای قوی یا دمای شدید به چالش کشیده می شود. در حال حاضر ، گینس و همکارانش در مورد چگونگی نجات ساختار باتری های موجود تمرکز کرده اند. در آینده ، این امکان وجود دارد که باتری ها برای بازیافت ساخته شوند – اما فقط در صورتی که از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد و عملکردی نداشته باشد. گینس می گوید: "طراحی برای بازیافت یک زمینه بسیار مهم است ، اما شما به هیچ وجه نمی توانید عملکرد را فدا کنید ، یا کسی نمی خواهد این کار را انجام دهد". "بهترین راه برای حمله غیر واضح است ، و صادقانه بگویم ، در این زمینه کارهای خیلی خوبی انجام نشده است." هنوز هم ، تغییرات زیادی وجود دارد که می تواند در روش سیستم های باتری ایجاد شود کارلتون کامینز ، مدیر CT از آسلرون می گوید ، برای بهبود تلاش در زمینه بازیافت تولید شده اند. وی می گوید ، او در سال 2015 این شرکت را تأسیس کرد و شروع به جستجوی زندگی پس از مرگ EV کرد و "فهمید که می توانید بیشتر ماشین را بجز باتری دوباره استفاده کنید." "برای تعمیر ، استفاده مجدد یا ارتقا طراحی نشده است. تمرکز اصلی در آن زمان ساخت ارزان و سریع آن بود. " در نتیجه ، سلولهای مورد استفاده در بسته های باتری ذخیره سازی ثابت و ثابت به طور معمول دارای چندین جوش در هر باتری هستند که ده ها باتری را به هم متصل می کند ، بنابراین می توان آنها را به عنوان یک واحد کنترل کرد. کامینز می گوید این یک تکنیک راحتی است که از صنعت الکترونیک مصرفی وام گرفته شده است ، اما جدا کردن بسته های باتری خودرو را برای به روزرسانی یا بازیافت بسیار دشوارتر می کند. راه حل شتاب دهنده فریبکارانه ساده است. کامینز و تیم او یک ظرف باتری را طراحی کردند که می تواند برای انواع مختلف سلول ها برای اتصال آنها بدون اتصال جوش داده شده استفاده شود. سیستم عامل باتری این شرکت ، Circa ، باتری ها را در یک پوسته سخت فشرده می کند و از یک مدار قابل جدا شدن برای اتصال آنها استفاده می کند. این به این معنی است که اگر یک سلول جدا از کار بیفتد ، یا صاحب بسته بخواهد به باتری بهتری تبدیل شود ، می توان با شل شدن چند مهره و پیچ و مهره ، سلول ها را از بین برد. کامینز می گوید: "روشی که امروزه باتری ها طراحی می شوند ، همه چیز جوش داده می شود و بهم می چسبند و فرض بر این است که در پایان استفاده دفع می شود." "ما باید نحوه جمع آوری باتری ها را برای چیزی که برای استفاده مجدد و همچنین بازیافت طراحی شده است ، دوباره اختراع کنیم." هنوز هم تعدادی از چالش های فنی ، سیاسی و اقتصادی وجود دارد که بازیافت کنندگان لیتیوم یون باید برآورده کنند و موفقیت تضمین نمی شود . به عنوان مثال کبالت گرانترین ماده در اکثر باتری های EV است ، اما تولیدکنندگان باتری در حال تعقیب شیمی جدید فاقد کبالت هستند. اگر این ماده معدنی ارزشمند در مخلوط فروش مجدد محصولات تولیدکننده نباشد ، هنوز مطمئن نیستید که آیا بازیافت کنندگان هنوز ارزش بازیافت مواد را پیدا می کنند. هنوز هم ، نسل جدید بازیافت کننده های باتری شرط می بندند که آنها می توانند راهی را برای بستن حلقه در زنجیره تأمین یون لیتیوم پیدا کنند و در حالی که این کار را انجام می دهند ، سود خوبی کسب کنند. اگر حق با آنها باشد ، ممکن است توده های سیاه را به انقلابی سبز تبدیل کنند. این مقاله در ابتدا در WIRED US منتشر شده است داستان های بزرگ دیگری از WIRED💡 2020 تلخ است اما این 32 مبتکر آینده بهتری برای همه ما ایجاد می کنند🎅 تا کریسمس بصورت آنلاین … این یک دوره سنگین برای Magic Leap بوده است. اکنون این شرکت در تلاش است تا خود را ، و واقعیت افزوده را دوباره اختراع کند
to به WIRED Podcast ، هفته علوم ، فناوری و فرهنگ گوش دهید ، که هر جمعه تحویل داده می شود👉 WIRED را در توییتر ، اینستاگرام ، فیس بوک و لینکدین دنبال کنید