طراحی فلوشیت عملیاتی بازیافت و تولید نانوذرات سولفید کبالت از باتری های لیتیومی

چکیده طرح: امروزه باتری های لیتیومی به صورت گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد و با توسعه و پیشرفت تکنولوژی های جدید حجم استفاده از این نوع باتری های نیز در حال افزایش است. از این رو، با توجه به طول عمر مفید آنها که به طور معمول ۴ تا ۸ سال است، میزان تولید دورریزهای باتری ها نیز به طور گسترده ای در حال افزایش است. اگر چه این موضوع یعنی تولید دورریز و باطله از نظر زیست محیطی بسیار خطرناک است، این چالش می تواند با توسعه فناوری های بازیافت به یک فرصت بزرگ تبدیل شود. در این راستا، این پروژه با دید توسعه فناوری و استفاده از ایده ها و تجربه های مختلف قبلی به دنبال تولید ارزش افزوده از این نوع باطله ها است. این مواد پیشرفته می تواند ترکیبات مختلفی همانند سولفیدها و اکسیدهای کبالت، نیکل، منگنز و یا ترکیبات لیتیوم دار همانند کربنات لیتیوم و نیز مواد بر پایه کربن همانند کربن فعال و یا گرافیت باشد. با این حال، برای تمرکز بیشتر پروژه و در قدم اول در این پروژه هدف اصلی تولید ترکیبات کبالت دار به صورت سولفیدی و اکسیدی خواهیم بود. در ادامه نیز تحقیقات برای مواد دیگر تکمیل خواهد گردید. سولفید کبالت ماده بسیار مهمی در ساخت باتری های و ابرخازن های جدید به شمار می رود. همچنین از این ماده ارزشمند در ساخت انواع کاتالیست های مهم در صنایع شیمیایی و نفت و صنایع مرتبط می تواند استفاده شود

اهداف طرح:

تولید نانوذرات سولفید کبالت؛ بازیافت باتری های لیتیومی

معرفی به دستاورد مردمی:

باتری لیتیوم یون به دلیل ویژگی‌های کم نظیر مانند چگالی انرژی، بازدهی و طول عمر بالا (بیش از ۱۰۰۰ چرخه) تقریباً به طور کامل بازار باتری‌ها را در بخش‌های مختلف مانند لوازم الکترونیکی قابل حمل (انواع موبایل ها) و وسایل نقلیه برقی در اختیار دارد. تولید جهانی باتری لیتیوم یون تقریباً در دو دهه گذشته هشت برابر شده و در سال ۲۰۱۸ مقداری بالغ بر ۱۵۵ گیگاوات ساعت تولید داشته است. در این سال حدود ۴۰٪ از لیتیوم و ۵۳٪ کبالت تولید شده جهان در بخش ساخت باتری های لیتیوم یون مصرف شد. با گسترش سریع بازار مصرف باتری‌های لیتیوم یون، مقدار ضایعات این حوزه و باتری‌های از رده خارج نیز بیشتر می شود. به طور مثال چین پیش بینی می کند که در سال ۲۰۲۰ حدود ۵۰۰ هزار تن ضایعات باتری لیتیوم یون تولید کند که این مقدار تقریباً دو برابر سال ۲۰۱۸ می‌باشد. باتری‌های لیتیوم یون فرسوده دارای مقادیر زیادی از فلزات ارزشمند مانند لیتیوم، کبالت، منگنز، مس و آلومینیوم هستند. باتری‌ها حاوی تعدادی فلزات سنگین و مواد شیمیایی سمی هستند و دفع باتری‌ها همانند فرایند زباله‌های خانگی معمولی انجام می‌شود، که این نوع از فرایند دفع نگرانی‌هایی را در مورد آلودگی خاک و آلودگی آب به وجود آورده‌است. امروزه ایده های نوآورانه در تبدیل باطله ها به مواد با ارزش افزوده راه حلی برای خطرات زیست محیطی باتری های یون لیتیوم دور ریز است که به سرعت در حال رشد می باشد.

در این طرح تحقیقاتی بنا داشتیم تا اطلاعات جامعی در خصوص باتری های یون لیتیوم از نظر بازیافت عناصر با ارزش بدست آورده شود. اهداف تعریف شده در این طرح با موفقیت به انجام رسید. تمام عناصر با ارزش مرحله به مرحله بازیافت گردید. دو عنصر اصلی کبالت و نیکل به طور خالص به صورت نانوذرات سولفید فلزی (ابعاد ۴۰ نانومتری) استخراج شد. بقیه فلزات همانند منگنز و لیتیوم در ادامه پروژه استخراج گردید که مقالات آنها نیز به زودی منتشر خواهد شد. یکی از مهمترین نوآوری این پژوهش استخراج خالص نانوذرات با فاز سولفیدی از محلول لیچینگ بود. انتخاب لیگاند مناسب زنتات از نوآوری های مهمی بود که به صورت انتخابی از بین یون‌های فلزی موجود در محلول تنها با کبالت و نیکل وارد واکنش شد. جداسازی کمپلکس مشترک نیکل و کبالت با محلول آمونیاکی نکته قابل توجه این پژوهش بود. روندنمای کاملی برای بازیافت کبالت از باتری های لیتیومی معرفی شد به طوری که امکان بازیافت کامل کبالت به شکل نانوذرات سولفید کبالت اثبات گردید. مراحل این طرح به طور خلاصه عبارت بود از: (۱) انحلال کامل کاتد در اسید سولفوریک و آب اکسیژنه، (۲) ترسیب فلزات به صورت سولفید فلزی با استفاده از گزنتات، (۳) ترسیب منگنز در محیط آلکالی آمونیاکی، (۴) ترسیب لیتیوم به صورت کربنات لیتیوم.

در ادامه این طرح تحقیقاتی، بنا داریم تا کریستال های با ارزش داخل مواد کاتدی باتری های دور ریز را بدون تخریب آنها (استخراج غیر مخرب) به روش ترکیبی استخراج حلالی و فلوتاسیون در مقیاس پایلوت بازیافت کنیم.

‌‌‌‌‌‌