في السنوات القليلة الماضية، اجتذبت إعادة تدوير بطاريات الليثيوم المستهلكة اهتمامًا واسع النطاق، ولم يتضاءل الحماس. على وجه الخصوص، يحتوي القطب الموجب على عناصر معدنية عالية القيمة مثل Li وCo وNi وMn، والحماس لإعادة التدوير يضاهي التنقيب عن الذهب في "منجم حضري". أما بالنسبة للقطب السالب الجرافيتي منخفض القيمة نسبيًا، فقد تم تقدير تكنولوجيا إعادة تدويره وقيمته تدريجيًا والاعتراف بها في العامين الماضيين فقط. وخاصة منذ عام 2024، ظهرت مشاريع القطب السالب الجرافيتي في تيار لا نهاية له، ويُعتقد أن مشاريع إعادة التدوير الخاصة بها ستصبح بالتأكيد نقطة ساخنة جديدة لحفر الذهب.

وفقًا لجمعية مهندسي السيارات الصينية، سيكون لدى بلدي حوالي 1.04 مليون طن من بطاريات الطاقة المتقاعدة في عام 2023، و3.5 مليون طن أو حتى أكثر في عام 2030. إن إعادة تدوير بطاريات الليثيوم أيون المستهلكة وشيكة، ولا يمكن تجاهل إمكانات الجرافيت باعتباره "منجمًا تقنيًا".

1. إعادة تدوير أنود الجرافيت تنطوي على فرص وتحديات

بشكل عام، تحتوي بطاريات الليثيوم أيون على 12-21% من الجرافيت. على سبيل المثال، تحتوي السيارة الهجينة الكهربائية والسيارة الكهربائية بالكامل على حوالي 10 كيلوغرامات و50 كيلوغرامًا من الجرافيت على التوالي. بالإضافة إلى ذلك، تمثل تكلفة الجرافيت حوالي 15% من تكلفة البطارية. ومع التقدم التكنولوجي، أصبحت القيمة الاقتصادية لإعادة التدوير وإعادة الاستخدام كبيرة بشكل متزايد. بشكل عام، تتمتع صناعة إعادة تدوير الأقطاب السالبة للجرافيت بالفرص والتحديات.

2. التقدم البحثي في ​​تكنولوجيا إعادة تدوير أنود الجرافيت

بالإضافة إلى ضغوط التنمية الصناعية والكمية الكبيرة من الجرافيت المعاد تدويره، فإن جدوى إعادة تدوير القطب السالب للجرافيت تشكل أيضًا عاملًا رئيسيًا لضمان قيمة إعادة التدوير.

نظرًا لأن سبب فشل البطارية هو عمومًا التغيير الهيكلي لمادة القطب الموجب والنمو المستمر لفيلم SEI على سطح الجرافيت القطب السالب، فإن بنية الجرافيت نفسها لا يتم تدميرها. لذلك، لإعادة تدوير الجرافيت القطب السالب، من الضروري فقط إزالة الشوائب الداخلية، ويمكن حذف خطوة الجرافيت عالية الحرارة. بالمقارنة مع التخلص من الجرافيت وحرقه، فإن إعادة استخدام الجرافيت المستهلك بعد إزالة الشوائب لا يمكن أن يقلل من التلوث البيئي فحسب، بل له أيضًا فوائد اقتصادية جيدة.

على الرغم من أن إعادة تدوير الأقطاب السالبة من الجرافيت تتمتع بإمكانية عالية للتنفيذ، إلا أن الصعوبات الفنية المرتبطة بإعادة التدوير لا تزال بحاجة إلى مزيد من التحسين والتغلب عليها. تتمثل المشكلة التي يواجهها الجرافيت المعاد تدويره في كيفية إزالة الإلكتروليت المتبقي، والموثق، وواجهة الإلكتروليت الصلبة (SEI) والشوائب المعدنية مثل الليثيوم والنحاس.

حاليًا، توجد ثلاث طرق رئيسية لإعادة تدوير نفايات الأقطاب السالبة من الجرافيت: الاستعادة الحرارية (المعالجة الحرارية بالصهر)، والاستعادة بالاستخلاص (المعالجة المائية بالصهر)، والاستعادة المباشرة (الفصل الميكانيكي).

يشير الاسترداد الحراري إلى المعالجة الحرارية للجرافيت في بيئة الهواء أو الغاز الخامل عند درجة حرارة عالية لإزالة الشوائب وتحسين أداء الجرافيت. طريقة الاستخلاص هي إزالة الشوائب في الجرافيت من خلال الأحماض والقلويات والمحاليل الأخرى. تشير طريقة الاسترداد المباشر إلى الفصل من خلال التكسير الميكانيكي والغربلة وغيرها من الطرق دون تسخين أو معالجة حمضية قاعدية. في المختبر، تكون عملية الفصل الميكانيكي عادةً هي كسر الغلاف يدويًا وفصل البطارية المفرغة، ثم كشط الجرافيت على لوحة القطب السالب؛ في المصنع، يتم إجراء الفصل الميكانيكي عمومًا بواسطة معدات تكسير واسعة النطاق لسحق البطارية المفرغة، ثم فصل مساحيق القطب الموجب والسالب ومساحيق المعادن من خلال فصل الهواء وفصل الجاذبية. هذه الطرق الثلاث لها مزاياها وعيوبها الخاصة. إذا كنت تريد تحقيق هدف إعادة تدوير الجرافيت، فأنت بحاجة إلى استخدامها حسب الاقتضاء.

3. تطبيقات الجرافيت المعاد تدويره

بالإضافة إلى إعادة تدويره لإنتاج أقطاب كهربائية سالبة لبطاريات الليثيوم أيون، يمكن أيضًا استخدام الجرافيت المستهلك لإعداد مواد وظيفية أخرى، مثل الجرافين وأكسيد الجرافين والمكثفات والمواد الماصة والحفازات، وما إلى ذلك.

(1) أنود الجرافيت

إن القيمة المهمة لإعادة تدوير وتجديد مواد الأنود المستهلكة هي كمواد صالحة للاستخدام في بطاريات الليثيوم أيون. وهناك العديد من المزايا لاستخدام مواد الجرافيت المهجورة كمواد خام لإعداد مواد الجرافيت الصالحة للاستخدام في البطاريات. أولاً، من السهل نسبيًا الحصول على مصادر الجرافيت لأن الجرافيت المهجور لا يزال يحافظ على استقرار الشكل الكروي للجسيمات. ويمكن لهذه المزايا أن تتجنب بشكل فعال خطوات الجرافيت والكروية طويلة الأمد والتي تتطلب طاقة مكثفة في عملية إنتاج الجرافيت. بالإضافة إلى ذلك، في عملية إصلاح وتجديد مواد الجرافيت من الليثيوم أيون الفاشلة، يتم أيضًا اتباع خطوات إنتاج وتحضير جسيمات الجرافيت، بما في ذلك إعادة بناء هيكل الجرافيت واستراتيجية الطلاء.

تتطلب إعادة بناء الهيكل الجرافيتي للجرافيت المتقاعد استخدام تعزيز المجال الخارجي لإعادة ترتيب صفائح هيكل الجرافيت التالفة. تقوم الطرق التقليدية بتحويل الهياكل غير المنظمة إلى هياكل طبقية منظمة من خلال التسخين الميداني الخارجي، لكن هذه الطريقة تتطلب الكثير من استهلاك الطاقة وتتطلب الكثير من المعدات. من ناحية أخرى، من خلال الاستفادة من خصائص امتصاص الموجة القوية للمواد الكربونية، يمكن تسخين الجرافيت بشكل فعال من خلال التسخين بالميكروويف لتحقيق إصلاح هيكلي. في الوقت الحاضر، يمكن لتقنية التسخين بالتفريغ السريع، مع استهلاكها المنخفض للطاقة وعملية قصيرة، تحقيق إصلاح الجرافيت للهياكل الجرافيتية التالفة في غضون ثوانٍ، وبالتالي جذبت اهتمامًا واسع النطاق من الباحثين العلميين.

(2) الجرافين وأكسيد الجرافين

بناءً على خصائص الجرافيت المستهلك مثل التباعد الموسع بين الطبقات، وقوة فان دير فال الضعيفة، والعيوب الهيكلية السطحية، فإنه من الأسهل تقشيره وتشتيته من الجرافيت العادي، وهو مادة خام مثالية لإعداد المواد القائمة على الجرافين. بالإضافة إلى ذلك، فإن إعداد المواد القائمة على الجرافين من الجرافيت ذي القطب السالب المستهلك يمكن أن يقلل التكاليف بشكل فعال ويزيد من العائدات، وله مزايا كبيرة في الترويج والتطبيق.

(3) المكثفات

يمكن أيضًا استخدام الجرافيت المستهلك لإعداد المكثفات الفائقة أو مكثفات أيونات الليثيوم أو أيونات الصوديوم. وقد أظهرت الدراسات أن المكثفات المحضرة من الجرافيت المستهلك كمواد خام تتميز بانخفاض التكلفة والأداء الجيد، مما يوفر طريقة للاستفادة من الجرافيت المستهلك بقيمة عالية. ومع ذلك، لا تزال آلية تأثير عيوب الجرافيت المستهلك والمجموعات الوظيفية على المكثفات غير واضحة، وهناك أيضًا نقص في مقارنة الأداء مع مواد الكربون الأخرى المماثلة لإعداد المكثفات، الأمر الذي يتطلب المزيد من البحث المتعمق.

(4) المواد الماصة

إن الخصائص الفريدة للجرافيت المستهلك، مثل البنية المسامية والمجموعات الوظيفية السطحية، تجعله مناسبًا جدًا لإعداد المواد الماصة لامتصاص المعادن الثقيلة والفوسفات والملوثات العضوية وما إلى ذلك. استخدم Zhang et al. nano-Mg(OH)2 لتعديل سطح الجرافيت المستهلك لامتصاص الفوسفور الزائد في الماء، ووصلت كمية الامتصاص إلى 588.4 مجم·جم-1، لتصبح واحدة من المواد ذات أفضل تأثير امتصاص، مع استقرار جيد وآفاق تطبيق صناعية جيدة.

(5) المحفزات

يمكن أيضًا استخدام الجرافيت المهدور لإعداد المحفزات، وخاصة لتحلل المواد العضوية، وتفاعلات الأكسدة والاختزال الكهروكيميائية، وما إلى ذلك. ونظرًا لاختلاف مصنعي الجرافيت المهدور وآليات الفشل، فإن بنية وخصائص الجرافيت المهدور تختلف بشكل كبير، مما يؤثر بدوره على أداء المحفز المحضر. لذلك، فإن العلاقة بين خصائص الجرافيت المهدور وأداء المحفز تحتاج إلى مزيد من الدراسة.