تواجه صناعة السيارات الكهربائية تحديات كبيرة في تنقية الليثيوم، ولكن شركة مانغروف ليثيوم تقدم حلاً مبتكرًا.
مسار جديد لإنتاج الليثيوم عالي الجودة باستخدام الكيمياء الكهربية
بينما تتدفق السيارات الكهربائية من خطوط الإنتاج، توجد عقبة في المصدر: تنقية الليثيوم. تحويل الليثيوم الخام إلى المركبات اللازمة للبطاريات مكلف وفوضوي ويتطلب طاقة كبيرة، ولكن شركة مانغروف ليثيوم، وهي شركة ناشئة مقرها فانكوفر، طورت طريقة أفضل. لقد طورت الشركة عملية تنقية كيميائية كهربائية تحول المواد الأولية من الليثيوم إلى هيدروكسيد الليثيوم عالي الجودة.
عادةً ما يتطلب تحويل الليثيوم الخام إلى هيدروكسيد الليثيوم تحميص سبودومين – وهو معدن يستخرج منه الليثيوم – في درجات حرارة عالية، ثم يتم استخلاصه بحمض لتحويله إلى كبريتات الليثيوم. ثم يجب تحويل هذا المركب إلى هيدروكسيد الليثيوم. يقول رايان داي، مدير العمليات في مانغروف ليثيوم: “إنها تفاعل كيميائي حراري يتطلب كميات كبيرة من المواد الكيميائية، وينتج عنه تيار نفايات من كبريتات الصوديوم”.
علاوة على ذلك، يتم تنقية غالبية الليثيوم في العالم – 60 إلى 70 في المئة – في الصين، وقد أدت قيود التصدير والتوترات الجيوسياسية إلى تعطيل سلاسل الإمداد في السنوات الأخيرة. كما أن شحن الليثيوم الخام إلى الخارج للتنقية يزيد من البصمة الكربونية الإجمالية للبطاريات. يمكن أن يعيد نموذج جديد لتنقية الليثيوم تشكيل ليس فقط اقتصاديات السيارات الكهربائية ولكن أيضًا الجغرافيا والبصمة البيئية لسلسلة إمداد البطاريات العالمية.
من المقرر أن يبدأ مصنع مانغروف التجريبي في كولومبيا البريطانية الإنتاج في النصف الثاني من عام 2026.
كيف تعمل عملية تنقية مانغروف؟
تستبدل مانغروف التفاعل التقليدي الذي يتطلب موارد كبيرة بعملية تستخدم الكهرباء والماء والأكسجين. في خلية كيميائية كهربائية، يتم تمرير المياه المالحة عبر جهاز إلكتروليزر، الذي يتكون من صندوق معدني به ثلاثة أقسام بين الكاثود والأنود. يتم فصل الأقسام بواسطة أغشية تبادل الأيونات، وهي حواجز شبه نفاذة تسمح بمرور أيونات معينة فقط. تتدفق كبريتات الليثيوم عبر القسم المركزي، ويقوم المجال الكهربائي للخلية بتفكيك الملح. يقول داي: “الليثيوم، وهو أيون موجب، سيتحرك عبر الغشاء نحو الكاثود”. هناك، “نقوم بتفاعل الأكسجين والماء لإنشاء أيونات الهيدروكسيد، التي تنضم إلى الليثيوم من الملح لتكوين هيدروكسيد الليثيوم”.
في الوقت نفسه، على الجانب الآخر من الخلية، تتحرك الكبريتات – وهي أيون سالب – نحو الأنود، حيث يتم تقسيم الماء لإنتاج بروتونات وغاز الأكسجين. تتحد البروتونات مع أيونات الكبريتات لتكوين حمض الكبريتيك.
يقول داي: “تشغيل هذه العملية بشكل مستمر، ومع مرور الوقت، يتم إنتاج هيدروكسيد الليثيوم، الذي يمكنك إرساله إلى جهاز بلورة”. “لا توجد منتجات نفايات كبيرة، وكل ما تحتاجه هو المياه المالحة والماء والأكسجين والكهرباء”. يتم استرداد حمض الكبريتيك ويمكن إعادة تدويره إلى أعلى النهر لاستخلاص المزيد من المياه المالحة من المادة الخام.
بشكل عام، يعد الحفاظ على سلامة غشاء تبادل الأيونات أحد أكبر التحديات لتوسيع نطاق هذه العملية، كما تقول فيفي شي، أستاذة مساعدة في هندسة الطاقة في جامعة بنسلفانيا. تشير شي، التي تبحث في طرق التنقية المعتمدة على الكيمياء الكهربائية، إلى أن هذه الطريقة يمكن أن تنشط التفاعلات اللازمة بسهولة أكبر، لكنها تواجه قيودًا للتطبيقات على نطاق واسع.
تتمثل الابتكارات الرئيسية في مانغروف في الكاثود المعتمد على الأكسجين. يقول داي: “يتطلب دفع التفاعل هندسة دقيقة”. لقد صممت الشركة قطبًا يسمح بتفاعل الغاز والسائل معًا، باستخدام كمية كافية من الماء لجعل تفاعل الأكسجين يعمل – دون إضافة الكثير بحيث يغمر النظام ويولد غاز الهيدروجين بدلاً من ذلك.
تم تصنيع الأقطاب باستخدام عملية خاصة تجمع بين عدة طبقات مخصصة تسمح بتدفق متوازن من الماء والأكسجين للوصول إلى مواقع المحفز النشطة. يفضل هذا التصميم تفاعل اختزال الأكسجين لأكثر من 99.5 في المئة من إجمالي نشاط الكاثود. كما أنه يقلل من كمية الكهرباء اللازمة لدفع العملية، لأن “اختزال الأكسجين يتطلب جهدًا أقل من اختزال الماء”، كما يقول داي. الطلب على معادن البطاريات يتزايد بشكل يتجاوز الليثيوم، حيث تتنافس شركات صناعة السيارات على إمدادات النيكل والكوبالت والجرافيت والمنغنيز. في الوقت نفسه، تقوم المرافق بنشر بطاريات على نطاق الشبكة تستخدم نفس المواد بكميات أكبر. قد تصبح القدرة على التنقية – وليس فقط التعدين – نقطة الاختناق الحرجة في هذا البناء، لأن صانعي البطاريات يحتاجون إلى مركبات عالية التخصص ونقية للغاية.
بينما تستهدف مانغروف في البداية الليثيوم، فإن هيكلها الكيميائي الكهربائي ليس محددًا بالليثيوم بشكل جوهري، ويمكن تكييفه مع مواد بطارية أخرى تواجه عقبات تنقية مماثلة. على سبيل المثال، لا تزال إنتاج كبريتات النيكل والكوبالت تعتمد على عمليات الترسيب المتعددة واستخراج المذيبات التي تنتج نفايات كبيرة وتتطلب مدخلات مواد كيميائية كبيرة. يقول داي: “سيعمل ذلك على الفور في التطبيقات الأخرى لأملاح المعادن القلوية”.
سيقوم مصنع مانغروف التجريبي في كولومبيا البريطانية بإنتاج 1000 طن سنويًا من هيدروكسيد الليثيوم. إذا تمكنت الشركة من توسيع نطاق تقنيتها كما تأمل، فقد تبدأ في إعادة تشكيل ليس فقط سلسلة إمداد البطاريات ولكن أيضًا الجغرافيا السياسية للانتقال إلى الطاقة.
إذا نجحت مانغروف في توسيع نطاق تقنيتها، فقد تعيد تشكيل مشهد الطاقة العالمي.
