بازیافت ضایعات شیشه پنل‌های خورشیدی برای استفاده در باتری‌های لیتیوم حالت جامد

تیمی از محققان دانشگاه فناوری نانیانگ سنگاپور فرایندی توسعه داده‌اند که در آن، ضایعات شیشه پنل‌های خورشیدی به‌عنوان ماده خام در کاتد باتری‌های لیتیوم-فلزی حالت جامد به‌کار گرفته می‌شود. نتایج نشان داد که الکترولیت پلیمری تولیدشده با این فرایند، پایداری الکتروشیمیایی و رسانایی یونی بهتری از خود نشان می‌دهد. همچنین، باتری‌های حاوی نانوذرات شیشه‌های خورشیدی پایداری بیشتر و بهبود عملکردی ۸.۳ درصدی را نشان داده‌اند.

به گزارش pv-magazine، در این روش، شیشه‌های شکسته پنل‌های خورشیدی ابتدا به ذرات در مقیاس نانو آسیاب شده و سپس به‌عنوان پرکننده معدنی در ماده الکترولیت پلیمری جامد (SPE) بر پایه پلی‌اتیلن اکسید (PEO) مورد استفاده قرار گرفتند.

نتایج پژوهش نشان داد که الکترولیت پلیمری تولیدشده با این فرایند، پایداری الکتروشیمیایی و رسانایی یونی بهتری از خود نشان می‌دهد. همچنین، باتری‌هایی که با الکترولیت پلیمری جامد حاوی ۲ درصد وزنی نانوذرات شیشه تولید شدند، ظرفیتی معادل ۱۲۳.۰۷ میلی‌آمپر ساعت بر گرم را طی بیش از ۸۰ چرخه شارژ حفظ کردند که این میزان نسبت به نمونه مرجع، بهبودی ۸.۳ درصدی را نشان می‌دهد.

بازیافت پنل‌های خورشیدی فرسوده

برای آنکه بازیافت پنل‌های خورشیدی فرسوده از نظر اقتصادی جذاب‌تر و از دیدگاه زیست‌محیطی پایدارتر شود، پژوهشگران به بررسی راهکارهای ارتقای ارزش بازیافتی، شامل پردازش مواد زائد پنل‌ها و تبدیل آن‌ها به محصولات ارزشمند، روی آورده‌اند.

حالا پژوهشگران دانشگاه فناوری نانیانگ در سنگاپور پیشنهاد کرده‌اند که از ضایعات شیشه پنل‌های خورشیدی در کاربردهای ذخیره‌سازی انرژی استفاده شود. به گفته آن‌ها، شیشه سنگین‌ترین جزء پنل‌های خورشیدی فرسوده محسوب می‌شود و تاکنون کاربردهای ارزشمند چندانی برای بازیافت این ماده ارائه نشده است.

«یئو بون تای»، نویسنده مسئول این پژوهش که در مجله Resources, Conservation and Recycling منتشر شده، می‌گوید: «تحقیقات ما نشان می‌دهد که ضایعات شیشه پنل‌های خورشیدی فرسوده پتانسیل قابل‌توجهی در حوزه ذخیره‌سازی انرژی دارند؛ به‌ویژه به‌عنوان یک افزودنی کاربردی در الکترولیت‌های پلیمری جامد (SPE).»

او همچنین خاطرنشان کرد که روش‌های متداول بازیافت شیشه‌های خورشیدی اغلب بسیار انرژی‌بر هستند و از نظر اقتصادی به‌صرفه نیستند. بون تای افزود:

«این کار با بازیافت مستقیم و ارتقای ارزش ضایعات شیشه خورشیدی و تبدیل آن به نانومواد کاربردی، رویکردی پایدارتر را ترویج می‌دهد و دو صنعت درحال رشد، یعنی انرژی خورشیدی و ذخیره‌سازی انرژی، را به یکدیگر پیوند می‌زند.»

بهبود کارایی باتری‌های لیتیوم حالت جامد با ضایعات شیشه

در این پژوهش، محققان به بررسی کاربرد نانوذرات شیشه‌های خورشیدی به‌عنوان پُرکننده بی‌اثر، مقرون‌به‌صرفه و پایدار در الکترولیت پلیمری جامد (SPE) پرداختند. سپس این ماده را به‌عنوان پرکننده، در کاتدهای نمونه مبتنی بر لیتیوم-آهن-فسفات (LFP) استفاده کردند.

به گفته بون تای، فناوری SPE به‌دلیل ایمنی و عملکرد بهبودیافته، به‌عنوان عامل کلیدی برای توسعه نسل بعدی باتری‌های حالت جامد شناخته می‌شود. تیم تحقیقاتی درباره فرایند آماده‌سازی مواد توضیح داد:

«برای جداسازی شیشه پنل خورشیدی از سایر اجزا، از روش خیساندن در حلال و برش سیمی استفاده شد تا از روش‌های حرارتی پرمصرف که معمولاً برای حذف لایه اتیلن-وینیل‌استات (EVA) به‌کار می‌روند، اجتناب شود. در ادامه، شیشه‌های شکسته با فرایند بال میل (آسیاب گلوله‌ای) و بدون استفاده از مواد شیمیایی سمی به ذراتی با اندازه تقریبی ۳۰۰ نانومتر تبدیل شدند. سپس این نانوذرات به‌عنوان پرکننده در ساختار پلی‌اتیلن اکسید (PEO)، که یکی از الکترولیت‌های پلیمری جامد پرکاربرد است، به‌کار گرفته شدند.»

بون تای دراین‌باره توضیح داد: «رویکرد ما از روش فیزیکی ساده و مستقیم برای تبدیل ضایعات شیشه خورشیدی به نانوذرات استفاده می‌کند و نیازی به مسیرهای شیمیایی پیچیده و پرهزینه ندارد. این ویژگی باعث شده فرایند ما به‌طور قابل‌توجهی مقرون‌به‌صرفه‌تر و کم‌مصرف‌تر از روش‌های متداول تولید پرکننده‌های بی‌اثر باشد. علاوه‌براین، با بهره‌گیری از شیشه بازیافتی به‌عنوان ماده اولیه، ردپای کربنی کل فرایند به‌شکل چشمگیری کاهش می‌یابد و جنبه‌های پایداری آن ارتقا پیدا می‌کند.»

به گفته محققان، الکترولیت پلیمری جامد اصلاح‌شده با شیشه، پایداری الکتروشیمیایی بیشتر و رسانایی یونی بهتری را نشان داده است: «به‌طور مشخص، رسانایی یونی الکترولیت پلیمری حالت جامد بر پایه پلی‌اتیلن اکسید خالص همراه با نمک لیتیوم (LiTFSI) که در دمای محیط معادل ⁶⁻۱۰×۹.۶۶ زیمنس بر سانتی‌متر اندازه‌گیری شد، پس از افزودن ۲ درصد وزنی نانوذرات شیشه، به ⁵⁻۱۰×۱.۱۰ زیمنس بر سانتی‌متر افزایش یافت.»

پژوهشگران با استفاده از SPE حاصل از این فرایند، باتری‌های لیتیوم-فلزی ساختند و عملکرد آن‌ها را مورد ارزیابی قرار دادند. نتایج نشان داد که نمونه‌های حاوی نانوذرات شیشه، پایداری بسیار بهتری از خود نشان می‌دهند.

پس از ۸۰ چرخه شارژ و دشارژ، ظرفیت ویژه نمونه مرجع به ۱۱۳.۶۰ میلی‌آمپر ساعت بر گرم کاهش یافت، درحالی‌که نمونه حاوی ۲ درصد وزنی نانوذرات شیشه توانست ظرفیت ۱۲۳.۰۷ میلی‌آمپر ساعت بر گرم را حفظ کند که نشان‌دهنده بهبود ۸.۳ درصدی در عملکرد باتری است.

در جمع‌بندی این مقاله آمده است: «این یافته‌ها بر پتانسیل چشمگیر استفاده مجدد از ضایعات شیشه پنل‌های خورشیدی و تبدیل آن‌ها به نانومواد عملکردی برای کاربرد در الکترولیت‌های پلیمری جامد تأکید دارند.»

چشم‌انداز آینده

در گام بعدی، تیم پژوهشی بر توسعه روش‌هایی با اثرات زیست‌محیطی کمتر برای بازیابی و استفاده مجدد از مواد باکیفیت استخراج‌شده از پنل‌های خورشیدی فرسوده، به‌ویژه در کاربردهای ذخیره‌سازی انرژی تمرکز خواهد کرد. بون تای گفت: «فراتر از این مطالعه، ما همچنین فرایندهایی با دمای پایین توسعه داده‌ایم تا سیلیکون بازیافتی را به آندهای باتری لیتیوم-یون تبدیل کنیم. این کار از ایجاد یک اکوسیستم انرژی تجدیدپذیر پایدارتر و چرخه‌ای‌تر پشتیبانی می‌کند.»

همچنین بخوانید: دستاورد جدید دانشمندان: ساخت سلول خورشیدی تمام‌آلی با بازدهی بالا