تکنولوژی جدید بازیافت کاتد باتری LiFePO₄

باتری‌های لیتیوم-آهن-فسفات (LiFePO4 یا LFP) به دلیل ظرفیت ویژه‌ی مناسب، به‌طور گسترده در خودروهای برقی استفاده می‌شوند. این کاربرد گسترده منجر به تولید حجم زیادی از زباله‌های LFP می‌شود که می‌تواند باعث آلودگی محیط زیست گردد. بنابراین، بازیافت این باتری‌ها برای بازپس‌گیری عناصر لیتیوم، آهن و فسفر و استفاده‌ی مجدد آن‌ها در ساخت کاتدها اهمیت بالایی دارد.

باتری لیتیوم یون، راه حل ذخیره سازی انرژی

افزایش روزافزون تقاضا برای انرژی یکی از چالش‌های مهمی است که در حال حاضر با آن روبه‌رو هستیم. کاهش منابع سوخت‌های فسیلی، عاملی اصلی نوسان قیمت‌ها و بر هم خوردن تعادل اکوسیستم‌ها می‌شود. بنابراین، برای مقابله با این مشکل، نیاز به منابع انرژی جایگزین که هم تجدیدپذیر باشند و هم دوستدار محیط زیست کاملا احساس می شود.

در این راستا، به‌عنوان راه‌حلی نویدبخش ، فناوری‌های مربوط به ذخیره‌سازی انرژی الکتروشیمیایی مطرح شده اند. در میان این فناوری‌ها، باتری‌های لیتیوم یون (LIBs) به دلیل ظرفیت برگشت‌پذیر و چگالی انرژی بالا، به‌عنوان یکی از گزینه‌های امیدوارکننده در زمینه ذخیره‌سازی انرژی شناخته می‌شوند. این باتری‌ها از دو بخش اصلی، یعنی آند و کاتد تشکیل شده‌اند که عملکرد آن‌ها مکمل یکدیگر است. بین آند و کاتد، یک الکترولیت رسانای یون قرار دارد که حاوی یون‌های لیتیوم است. این یون‌ها دائماً بین آند و کاتد در حال جابه‌جایی هستند و همین فرآیند برای عملکرد باتری حیاتی است.

” بیشتر بخوانید: عملکرد کلی باتری‌های لیتیوم یون “

برای افزایش چگالی انرژی باتری‌های لیتیوم-یون نسل آینده، نیاز به مواد کاتدی نوآورانه‌ای داریم که ظرفیت بالاتر و پایداری چرخه‌ای بهتری داشته باشند. این در حالی است که آند گرافیتی رایج در حال حاضر، دارای ظرفیت نظری پایینی برابر با ۳۷۲ میلی‌آمپر ساعت بر گرم است و نمی‌تواند پاسخگوی این نیازها باشد.

باتری های لیتیوم آهن فسفات

یکی از انواع رایج باتری‌های لیتیوم یون، باتری‌های لیتیوم آهن فسفات LiFePO4 هستند که به دلیل پایداری ساختاری و ایمنی بالا، کاربرد زیادی دارند. همچنین استفاده از LFP در باتری‌های لیتیوم یون به این دلیل است که این ماده با کاهش طول مسیر انتشار یون‌های لیتیوم (Li⁺) و افزایش ظرفیت ویژه، عملکرد باتری را در طول چرخه‌های شارژ و دشارژ بهبود می‌بخشد.

تا به امروز، انواع مختلفی از LFP توسعه یافته‌اند که به دلیل مزایایشان، هم در آزمایشگاه و هم در صنعت به‌عنوان کاتد باتری‌های لیتیوم یون مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

” ورود به دسته بندی باتری لیتیوم آهن فسفات فروشگاه رها باتری ” 

باتری LFP و مسئله پسماند

افزایش استفاده از باتری‌های LFP منجر به افزایش پسماند آن‌ها می‌شود؛ موضوعی که به دلیل نبود فرآیندهای بازیافت مناسب، می‌تواند منجر به آلودگی محیط زیست شود. باتری‌های LFP حدود ۳۰٪ از ۱۸۰ تُن زباله باتری‌های لیتیوم یون را تشکیل می‌دهند.

از آنجا که کاتدهای باتری دارای ارزش بالایی هستند، بازیافت آن‌ها هم از نظر اقتصادی و هم زیست‌محیطی سودمند است. بنابراین، بازیافت پسماند باتری‌های LFP گامی مؤثر برای مقابله با مشکلات زیست‌محیطی و تأمین منابع ارزشمند محسوب می‌شود.

روش‌های متعددی برای بازیافت کاتدهای باتری تاکنون به‌طور گسترده گزارش شده‌اند که از جمله آن‌ها می‌توان به هیدرومتالورژی، پیرومتالورژی و فرآیندهای سفیدسازی (Bleaching) اشاره کرد. با این حال، این روش‌ها با محدودیت‌هایی همراه هستند، از جمله بازسازی ناقص مواد، هزینه و مصرف بالای انرژی، تخریب ساختار کریستالی LFP و تولید زباله‌های ثانویه.

در میان روش های بازیافتی، بازتولید مستقیم (Direct Regeneration) به‌عنوان یکی از روش‌های پرکاربرد در فرآیند بازیافت باتری شناخته می‌شود. در مقایسه با روش‌های دیگر، این روش مزایای بیشتری دارد؛ از جمله حفظ ساختار کریستالی ماده، کاهش هزینه‌های واکنش، و استفاده از مواد شیمیایی سازگارتر با محیط زیست.

روش بازتولید مستقیم (Direct Regeneration)

روش بازتولید مستقیم (Direct Regeneration) می‌تواند ساختار LFP را به‌خوبی بازسازی کرده و عملکرد الکتروشیمیایی آن را بهبود بخشد. در این مطالعه، از ماده‌ی g-C3N4 به‌عنوان منبع کربن و نیتروژن در فرایند بازتولید استفاده شده است. عملیات بازتولید شامل مرحله‌ی کالسیناسیون به مدت ۸ و ۱۰ ساعت بود.

کالسیناسیون در باتری

دمای کالسیناسیون و مدت‌زمان آن در فرآیند بازتولید مستقیم، از عوامل کلیدی هستند که بر ویژگی‌های ساختاری و عملکرد الکتروشیمیایی کاتدهای LFP تأثیر می‌گذارند.

به‌طور معمول، دمای کالسیناسیون در بازتولید مستقیم بین ۶۰۰ تا ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد و مدت‌زمان آن بین ۴ تا ۱۵ ساعت در شرایط گاز بی‌اثر تنظیم می‌شود. دمای کالسیناسیون نقش حیاتی در بازسازی ساختار بلوری LFP ایفا می‌کند و همین موضوع مستقیماً بر عملکرد الکتروشیمیایی باتری تأثیرگذار است.

مطالعات پیشین نشان داده‌اند که افزایش دمای کالسیناسیون به بیش از ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد ممکن است باعث تبدیل LFP به ناخالصی‌هایی مانند LiFe(P₂O₇)، FexP، Li₃PO₄ و P₂O₅ شود. چنین تغییراتی می‌توانند باعث کاهش بلورینگی یا ایجاد نقص در ساختار کریستالی LFP شده و در نتیجه، عملکرد الکتروشیمیایی آن را کاهش دهند.

در مطالعه‌ای جداگانه، “چن و همکاران” گزارش کردند که استفاده از دمایی در بازه‌ی ۶۰۰ تا ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌تواند ساختار بلوری LFP را بهبود بخشد و آن را برای استفاده در باتری‌های لیتیوم یون مناسب‌تر کند.

علاوه بر دما، مدت زمان کالسیناسیون نیز در کنترل رشد بلورها نقش مهمی دارد. زمانی که این فرآیند سریع‌تر انجام شود، ذرات بسیار ریزتری تولید می‌شوند. این ذرات کوچک به‌دلیل افزایش تعداد نواحی فعال، رسانایی الکتریکی بهتری از خود نشان می‌دهند و در نتیجه، عملکرد الکتروشیمیایی نیز بهبود می‌یابد.

نتایج بدست آمده نشان داد که ساختار کریستالی ارتورومبیک LiFePO4 در LFP بازتولیدشده تشکیل شده است. بهترین عملکرد و ظرفیت ویژه مربوط به نمونه‌ای بود که با ۱۰ درصد وزنی g-C3N4 و طی ۸ ساعت کالسیناسیون، بازتولید شده بود، که ظرفیتی معادل ۱۳۵٫۵۰ میلی‌آمپر ساعت بر گرم را نشان داد.

در نتیجه، این یافته‌ها نشان می‌دهند که بازتولید مستقیم می‌تواند گزینه‌ای مؤثر و عملی برای بازیافت کاتدهای مصرف‌شده‌ی LFP باشد.

بازتولید مستقیم همراه با افزودن مواد کمکی

از سوی دیگر، یکی از روش‌های مؤثر برای بهبود ساختار بلوری کاتدهای LFP، بازتولید مستقیم همراه با افزودن مواد کمکی است. در این روش، اغلب از Li₂CO₃ به‌عنوان منبع لیتیوم و از ساکارز (قند معمولی) به‌عنوان منبع کربن برای بهبود ساختار LFP استفاده‌شده بهره می‌برند.

افزودن کربن، علاوه بر بهبود ساختار بلوری، می‌تواند عملکرد الکتروشیمیایی کاتدهای مصرف‌شده‌ی LFP را نیز تقویت کند. در مطالعه‌ای، “سونگ و همکاران” از گلوکز و نانولوله‌های کربنی (CNTs) به‌عنوان منبع کربن استفاده کردند و موفق به دستیابی به ظرفیت ویژه‌ای برابر با ۱۵۵٫۴۷ میلی‌آمپر ساعت بر گرم در نرخ 0.05C شدند.

مواد کربنی حاوی عناصر نیتروژن، عملکردی فراتر از یک منبع کربن ساده دارند. وجود اتم‌های خارجی مانند نیتروژن (heteroatoms) روی سطح کربن می‌تواند انتقال یون‌های لیتیوم و الکترون‌ها به الکترود را تسهیل کند. اتم‌های نیتروژن می‌توانند به‌عنوان حامل الکترون عمل کرده و با کاهش پهنای نوار انرژی (band gap)، مقاومت داخلی الکترود را کاهش دهند، که در نهایت به بهبود چشمگیر عملکرد الکتروشیمیایی منجر می‌شود.

در مطالعه‌ای دیگر، “گِوو و همکاران” از ملامین به‌عنوان منبع کربن و نیتروژن استفاده کردند و به ظرفیت ویژه‌ای برابر با ۱۱۶ میلی‌آمپر ساعت بر گرم در نرخ 5C دست یافتند.

فرآیند کالسیناسیون ملامین منجر به تولید ماده‌ای به نام g-C₃N₄ می‌شود که به دلیل ویژگی‌های مطلوب الکتروشیمیایی، مورد توجه قرار گرفته است. بر اساس محاسبات نظریه تابع چگالی (DFT)، ترکیب Li₂C₃N₄ دارای ظرفیت تئوریکی حدود ۵۳۴ میلی‌آمپر ساعت بر گرم است، که دو برابر بیشتر از ظرفیت ترکیب رایج LiC₆ می‌باشد.

” بیشتر بخوانید: ساخت باتری حرارتی لیتیوم یون LFP با شارژ بسیارسریع “

نتیجه گیری

استفاده از افزودنی g-C₃N₄ در فرآیند بازتولید مستقیم باعث بهبود ساختار کریستالی و عملکرد الکتروشیمیایی LFP می‌شود. ذرات کربن تولید شده از g-C3N4 به عنوان یک ماده رسانا عمل کرده و انتقال الکترون‌ها و یون‌های لیتیوم را تسهیل می‌کنند.

اما مقدار افزودنی اهمیت دارد؛ مثلاً در نمونه با 5٪ وزن g-C3N4 (RLFP/g5)، ذرات LFP به هم چسبیده و تجمع پیدا می‌کنند که باعث کلوخه شدن می‌شود. این تجمع ممکن است به طور جزئی بر عملکرد الکتروشیمیایی تأثیر منفی بگذارد، چون دسترسی سطح فعال کاهش می‌یابد. در نمونه‌ای با مقدار کمتر یا بیشتر g-C3N4، ممکن است توزیع ذرات بهتر و پراکندگی بهینه‌تری مشاهده شود که عملکرد بهتری دارد.

در کل، بازتولید مستقیم با افزودن g-C3N4 می‌تواند یک روش اقتصادی و دوستدار محیط‌زیست‌ برای بازیافت کاتدهای LFP مصرف‌شده باشد که علاوه بر حفظ ساختار، ظرفیت و پایداری چرخه‌ای باتری را افزایش می‌دهد.

منبع: sciencedirect.com

تاریخ انتشار مقاله: جولای 2025