جهان در حال حاضر در مسیر روند گذار گسترده به سمت انرژی‌های پاک قرار دارد و باتری‌ها، نقشی کلیدی در ایجاد تحول در آن ایفا می‌کنند. باتری‌ها به عنوان منابع انرژی با قابلیت شارژ مجدد، اجزایی حیاتی در بسیاری از ابزارهای فناورمحور نوین به شمار می‌روند که انرژی لازم برای کار کردن با دستگاه‌هایی مانند تلفن‌های هوشمند، لپ‌تاپ‌ها، خودروهای الکتریکی و سامانه‌های ذخیره‌ انرژی باتری را تامین می‌کنند.

به گزارش پایگاه خبری و تحلیلی «فلزات‌آنلاین» و به نقل از پلتفرم خبری «Securities.io»، در میان انواع باتری‌ها، در حال حاضر باتری‌های لیتیوم‌یون بیشترین کاربرد را در ابزارهای الکترونیکی داشته و فلز نیکل به عنوان یکی از اجزای اصلی این نوع باتری‌ها شناخته می‌شود. نیکل که پنجمین عنصر فراوان در کره زمین به شمار می‌آید، نه تنها به میزان فراوان در پوسته و هسته زمین یافت می‌شود بلکه در ترکیب بسیاری از شهاب‌سنگ‌ها نیز همراه با آهن وجود دارد. این فلز به‌ طور طبیعی در خاک و آب وجود داشته و به عنوان یک عنصر حیاتی برای رشد گیاهان نیز شناخته می‌شود.

ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی ممتاز نیکل، آن را به عنصری حیاتی در ساخت صدها هزار محصول صنعتی تبدیل کرده است. نقطه ذوب بالا (یک هزار و ۴۵۳ درجه سانتی‌گراد)، مقاومت در برابر خوردگی و اکسایش، شکل‌پذیری بالا، قابلیت بازیافت و برخوردار بودن از خواص مغناطیسی در دمای اتاق، از جمله ویژگی‌هایی بوده که نیکل را به فلزی کاربردی در صنایع مختلف مبدل کرده است.

نیکل به‌ راحتی با سایر فلزات، به‌ ویژه کروم ترکیب شده و از آن در تولید آلیاژهایی چون فولاد زنگ‌نزن و فولاد مقاوم در برابر حرارت استفاده می‌شود. براساس آمارهای منتشر شده، سالانه حدود ۱٫۹۷ میلیون تن نیکل در تولید فولاد زنگ‌نزن و ۲۱۰ هزار تن از آن در ساخت آلیاژهای غیرآهنی مورد استفاده قرار می‌گیرد. ارقام اعلام شده نشان می‌دهد که نیکل از اهمیتی راهبردی برخوردار است و این مسئله از جایگزین‌ناپذیر بودن این فلز حکایت دارد.

ویژگی‌های منحصربه‌فرد نیکل از یک سو، موجب افزایش عمر محصولات الکترونیکی، فلزی و باتری‌ها شده و از سوی دیگر، منجر به بهبود بازدهی موتورهای مورد استفاده در صنایع شده است؛ اگرچه فولاد زنگ‌نزن با سهم ۶۵ درصدی، بزرگ‌ترین مصرف‌کننده نیکل در جهان به شمار می‌رود اما صنعت باتری نیز با سهم ۱۶ درصدی از مصرف جهانی نیکل در جایگاه دوم قرار دارد.

واقعیت امر این است که استفاده از نیکل در ساخت باتری‌ها، موجب افزایش چگالی انرژی و ظرفیت ذخیره‌سازی و همچنین کاهش هزینه‌های تولیدی آن‌ها شده است. همچنین با رشد روزافزون تولید و استفاده از خودروهای الکتریکی و اهمیت فزاینده سامانه‌های ذخیره انرژی باتری برای مدیریت بهینه عرضه و تقاضای برق، حجم تقاضای نیکل افزایش یافته است.

براساس آمار منتشر شده، در حال حاضر حدود ۷۰ درصد از تولید سالانه جهانی نیکل (معادل سه میلیون تن) در ساخت فولاد زنگ‌نزن به‌ کار گرفته می‌شود. با این وجود، پیش‌بینی می‌شود که تا سال ۲۰۴۰، حجم تقاضای نیکل در صنعت باتری حدود سه میلیون تن دیگر افزایش پیدا کند. این افزایش تقاضا عمدتا ناشی از روند اجرای فرایند کربن‌زدایی در بخش حمل‌ونقل و استفاده گسترده‌تر از الکترودهای مبتنی بر نیکل‌ در خودروهای الکتریکی خواهد بود. در نتیجه این تحولات، پیش‌بینی می‌شود تقاضای جهانی برای نیکل تا سال ۲۰۴۰، به دو برابر میزان فعلی در سال ۲۰۲۵ برسد و به حدود ۶ میلیون تن در سال افزایش یابد.

توزیع، تنوع و چالش‌های بهره‌برداری از ذخایر نیکل

اگرچه نیکل فلزی نسبتا فراوان در طبیعت به شمار می‌آید اما به‌ طور کلی تنها در مقادیر و حجم ناچیزی در محیط زیست یافت می‌شود. این عنصر در خاک وجود دارد و حجم بالایی از آن را می‌توان در برخی کانسارهای معدنی شامل اکسیدها، سولفیدها و سیلیکات‌ها مشاهده کرد. براساس برآوردهای انجام شده، منابع جهانی نیکل حدود ۳۵۰ میلیون تن تخمین زده شده است. کشورهای استرالیا، اندونزی، آفریقای جنوبی، روسیه و کانادا، دارای بزرگ‌ترین ذخایر نیکل در جهان هستند و در مجموع بیش از ۵۰ درصد از منابع نیکل جهان را در اختیار دارند. جالب آنکه با وجود استخراج حدود ۸۰ درصد نیکل در سه دهه اخیر، ذخایر این عنصر همچنان روندی افزایشی داشته‌اند. این امر نتیجه افزایش فعالیت‌های اکتشافی توسط شرکت‌های معدنی، شناسایی ذخایر معدنی جدید در مناطق دورافتاده و نیز پیشرفت فناوری‌هایی است که امکان بهره‌برداری از سنگ‌های معدنی کم‌عیار نیکل را فراهم کرده‌اند.

در حال حاضر حدود ۶۰ درصد از تولید جهانی نیکل بر پایه سنگ‌های معدنی سولفیدی پرعیار (در حدود ۱٫۵ تا ۴ درصد وزنی نیکل) صورت می‌گیرد. بخش باقی‌مانده از ذخایر این عنصر، از سنگ‌های معدنی کم‌عیار همچون لاتریت‌ها استخراج می‌شود که دارای میانگین عیار نیکل در حدود ۱٫۵ درصد است. سنگ‌های معدنی کم‌عیار لاتریت‌ خود به دو نوع ساپولیت و لیمونیت تقسیم می‌شوند.

از نظر توزیع زمین‌شناسی، ذخایر نیکل روندی معکوس دارند؛ به‌گونه‌ای که حدود ۶۰ درصد از کل نیکل موجود در طبیعت در سنگ‌های معدنی لاتریت‌ یافت می‌شود و تنها ۴۰ درصد آن در کانسارهای سولفیدی قرار دارد. نیکل در این کانسارها عمدتا به صورت کانی‌های مجزای دوتایی و سه‌تایی حاوی نیکل‌ مانند سولفید نیکل، آهن سولفید نیکل و کبالت نیکل گوگرد وجود دارد. دلیل استفاده از ذخایر نیکل سولفیدی برای تولید این فلز، سادگی ترکیب شیمیایی آن‌ است. این ویژگی امکان جداسازی موثر سنگ‌های باطله از ترکیبات دارای نیکل‌ را با استفاده از روش‌های جداسازی مرسومی مانند فلوتاسیون کف فراهم می‌سازد.

با این حال، ذخایر نیکل سولفیدی محدود بوده و حجم آن‌ها در ذخایر معدنی در حال کاهش یافتن است؛ به همین دلیل امکان پاسخ‌گویی به تقاضای روزافزون جهانی نیکل از طریق ذخایر نیکل سولفیدی ممکن نیست. از این رو نیاز به تولید پایدار نیکل از منابع غنی اما کم‌عیار سنگ معدن لاتریت بیش از پیش برجسته شده است. در این نوع ذخایر، نیکل به صورت کانی‌های مجزا یافت نمی‌شود بلکه به‌ صورت محلول در ساختار ترکیبات پیچیده‌ای از سیلیکات‌های منیزیم یا اکسیدهای آهن وجود دارد. از جمله این ترکیبات می‌توان به سیلیکات‌های منیزیم‌دار (ساپولیت‌ها) اشاره کرد. همچنین، نیکل به‌ صورت جزئی می‌تواند جایگزین آهن در لیمونیت‌هایی همچون گوتیت شود.

پیچیدگی بالای کانی‌‌زایی و ترکیب شیمیایی سنگ‌های کم‌عیار نیکل، مانعی اساسی در مسیر استخراج با بهره‌وری بالا و پایدار این فلز به منظور استفاده در توسعه فناوری‌های سبز به شمار می‌رود. در راستای غلبه بر این چالش، پژوهشگران موسسه «Max Planck Institute for Sustainable Materials» موفق به توسعه روشی نوآورانه و بدون کربن شده‌اند که با صرفه‌جویی در انرژی، امکان استخراج نیکل برای استفاده در تولید فولاد زنگ‌نزن، باتری‌ها و آهن‌رباها را فراهم می‌سازد.

پیامدهای زیست‌محیطی تولید نیکل به روش سنتی

اگرچه نیکل نقشی کلیدی در تولید باتری‌ها ایفا می‌کند اما فرایند استخراج و تولید این فلز همانند بسیاری از فلزات دیگر، تاثیر مخربی بر محیط زیست دارد و نمی‌توان آن را فرایندی دوستدار محیط زیست تلقی کرد. تولید نیکل با پیامدهای منفی متعددی برای محیط زیست همراه است که از جمله آن می‌توان به ایجاد آلودگی هوا و آب، فرسایش خاک، فرونشست زمین، جنگل‌زدایی، تولید پسماندهای سمی، کاهش تنوع زیستی و موارد دیگر اشاره کرد. علاوه‌براین، فرایند استخراج و فرآوری نیکل انرژی‌بر بوده و در نتیجه سهم قابل‌ توجهی در انتشار گازهای گلخانه‌ای دارد.

براساس داده‌های موجود، تولید هر تن نیکل از روش‌های متعارف فعلی، انتشار حدود ۲۰ تن دی‌اکسید کربن را به همراه خواهد داشت. تنها در سال ۲۰۱۹، استخراج نیکل موجب انتشار نزدیک به ۱۲۰ میلیون تن دی‌اکسید کربن معادل در سطح جهانی شده است. براساس مطالعه‌ای که توسط موسسه «Max Planck Institute for Sustainable Materials» انجام شده است، کربن تولیدی در صنعت نیکل به‌ طور میانگین بین ۲۰ تا ۲۷ تن دی‌اکسید کربن معادل به ازای تولید هر تن نیکل برآورد می‌شود؛ این رقم حدود ۱۰ برابر بیشتر از کربن تولیدی در ساخت هر تن فولاد بوده که رقمی معادل ۲٫۳ تن کربن به ازای تولید هر تن فولاد گزارش شده است. این مسئله نیکل را به یکی از آلاینده‌ترین فلزات از لحاظ زیست‌محیطی در فرایند استخراج از معادن تبدیل کرده است.

از آنجایی که انتشار دی‌اکسید کربن مهم‌ترین عامل در تغییرات اقلیمی محسوب می‌شود، کاهش چشمگیر این گاز آلاینده در صنعت نیکل به‌ ویژه اگر این صنعت با هدف دستیابی به دستاوردهای طرح برایند کربن صفر و مقابله با بحران آب‌وهوایی در مسیر اجرای فرایند کربن‌زدایی حرکت کند، ضروری خواهد بود. نکته‌ قابل تامل در این رابطه اینکه بسیاری از راهکارهای جهانی ارائه شده برای کاهش انتشار کربن، بر پایه فرایند الکتریکی‌سازی در بخش‌های مختلف زندگی بشر، به‌ ویژه بخش حمل‌ونقل توسعه یافته است و جالب‌تر اینکه بیشتر این راهکارها در عمل به شدت وابسته به استفاده از نیکل هستند.

این موضوع سبب می‌شود اثربخشی چنین سیاست‌گذاری‌هایی زیر سوال برود و نگرانی‌هایی در خصوص اثرات منفی زیست‌محیطی برای استفاده از این راهکارها مطرح شود. در همین راستا عبید منظور، پژوهشگر موسسه «Max Planck Institute for Sustainable Materials» عنوان کرد: اگر تولید نیکل به روش‌های فعلی ادامه یابد و از آن برای توسعه فرایند الکتریکی‌سازی استفاده شود، نه تنها مشکلات زیست‌محیطی حل نشده بلکه مشکلات از یک بخش به بخش‌های دیگر منتقل خواهد شد.

در همین راستا، پژوهشگران با معرفی روش نوینی برای استخراج نیکل، مسیر پایداری را پیش‌روی این صنعت قرار داده‌اند؛ روشی که در آن، به جای به‌کارگیری از کربن از پلاسما هیدروژن استفاده می‌شود. این فناوری جدید، مانع از تولید دی‌اکسید کربن در فرایند استخراج نیکل شده و ضمن صرفه‌جویی در مصرف انرژی و کاهش زمان فرآوری، امکان بهره‌برداری از سنگ‌های معدنی کم‌عیار و با ترکیب پیچیده‌تر را فراهم می‌سازد که پیش از این به دلیل چالش‌ در فرآوری مورد توجه قرار نگرفته بودند. در حال حاضر، فرآوری صنعتی این نوع سنگ‌های معدنی که عمدتا شامل نیکل-لاتریت‌ها هستند، تحت تاثیر ساختار کریستالوگرافی فازهای میزبان نیکل و همچنین میزان نیکل و آهن موجود در کانسار معدنی قرار دارد.

انقلاب در فرآوری نیکل با استفاده از فناوری تک‌مرحله‌ای مبتنی بر هیدروژن

نتایج این پژوهش نوآورانه که با حمایت مالی شورای تحقیقات اروپا انجام شده، در نشریه معتبر «Nature» منتشر شده است. در این تحقیق، جزئیات روشی کاملا متفاوت برای استخراج نیکل تشریح شده است که تحولی چشمگیر در صنعت فلزات محسوب می‌شود. در این روش، فرایند تولید نیکل از طریق ذوب در روش احیا مستقیم، تنها در یک مرحله و به‌کمک پلاسما هیدروژن انجام می‌شود. این فناوری نوین، سه عملیات اصلی کلسینه‌سازی، ذوب و فرآوری را به‌ طور هم‌زمان و در یک راکتور یکپارچه انجام می‌دهد. استفاده از روش مذکور امکان استخراج مستقیم فلز نیکل با کیفیتی مشابه آلیاژ فرونیکل را از سنگ معدن و در تنها یک مرحله فرآوری فراهم کرده است.

منظور پژوهشگران از فرایند تک‌مرحله‌ای، تولید مستقیم فرونیکل تصفیه‌ شده از سنگ معدن در یک فرایند متالورژیکی است. در مقابل، تولید نیکل با روش مرسوم کوره دوار و کوره قوس الکتریکی «RKEF» در سه مرحله انجام می‌شود. در ابتدا کلسینه‌سازی سنگ معدن انجام شده، سپس ذوب آن در کوره قوس الکتریکی صورت گرفته و در نهایت فرایند تصفیه برای کاهش ناخالصی‌ها تا سطح قابل قبول حاصل می‌شود. در مقابل، به کمک فناوری ذوب احیا مستقیم با پلاسما هیدروژن می‌توان تمامی این مراحل را در یک فرایند واحد ادغام کرد. با استفاده از این روش، پژوهشگران موفق شدند فرونیکل تصفیه‌ شده و با درجه خلوص بالا را با سرعت بیشتری از طریق روش ذوب احیا مستقیم تولید کنند.

نکته مهم اینکه در فرایند مذکور از انرژی‌های تجدیدپذیر استفاده شده و با جایگزینی سوخت‌ها و سیستم‌های کاهنده‌ کربن تولیدی با برق و هیدروژن سبز، حدود ۱۸ درصد در مصرف انرژی صرفه‌جویی شده و تا ۸۴ درصد در کاهش انتشار دی‌اکسید کربن تاثیرگذار بوده است. در یافته‌های تجربی این پژوهش، به نقش بسیار مهم استفاده از فرایند تک‌مرحله‌ای «HPSR» به‌ عنوان جایگزینی پایدار برای تولید نیکل از منابع اکسیدی و سیلیکاتی اشاره شده است.

به طور کلی، این رویکرد نوین، استفاده از نیکل با بهره‌وری بسیار بالا مبتنی بر فناوری‌های انرژی پاک را بدون آنکه تاثیر منفی بر محیط زیست‌ داشته باشد، ممکن ساخته است. علاوه‌براین، از روش مذکور می‌توان در تولید دیگر فلز مهم در ساخت باتری یعنی کبالت نیز استفاده کرد. نکته حائز اهمیت دیگر در رابطه با روش مذکور اینکه امکان ادغام آن با سایر فناوری‌های فعلی به کار رفته در صنعت نیکل وجود دارد.

نقش شرکت تسلا در حرکت به‌ سوی استفاده از نیکل سبز

شرکت تسلا به‌ عنوان یکی از پیشتازان صنعت خودروهای الکتریکی، نقشی کلیدی در جهت‌دهی به زنجیره تامین پایدار نیکل طی سال‌های اخیر ایفا کرده است. با توجه به نیاز فزاینده باتری‌های خودروهای الکتریکی به نیکل با خلوص بالا، این شرکت اقدام به همکاری با تولیدکنندگانی کرده است که استانداردهای زیست‌محیطی و عملکردی بالاتری دارند. از جمله این همکاری‌ها می‌توان به تامین نیکل از شرکت «BHP» در استرالیا، شرکت «Talon» در ایالات متحده آمریکا و شرکت «Vale» در کانادا اشاره کرد. شرکت‌های مذکور همگی تمرکز خود را بر کاهش انتشار کربن و به‌کارگیری روش‌های نوآورانه در فرآوری نیکل قرار داده‌اند.

ایلان ماسک، مدیرعامل شرکت تسلا بارها بر لزوم سرمایه‌گذاری در استخراج نیکل به گونه‌ای که سازگاری بالایی با محیط زیست داشته باشد، تاکید کرده است.

همکاری شرکت تسلا با شرکت «Talon» برای استخراج نیکل در پروژه «Tamarack»، گامی مهم در جهت تولید مواد اولیه مورد نیازساخت باتری‌ها بوده که در آن، نه‌ تنها نیکل استخراج شده بلکه از فناوری‌های نوین مانند سیستم ذخیره‌سازی دائمی کربن تولیدی نیز استفاده شده است.

در کنار تلاش‌های زیست‌محیطی شرکت تسلا، عملکرد مالی این شرکت در سه‌ ماهه نخست سال ۲۰۲۵ با چالش‌هایی همراه بوده است. کاهش درآمد از بخش خودرو، به‌روزرسانی خطوط تولید خودرو مدل «Y» و افزایش حضور رقبای چینی در بازار را می‌توان از جمله عوامل تاثیرگذار در افت کاهش حاشیه سود شرکت مذکور برشمرد. با این حال، رشد قابل‌ توجه در بخش سیستم ذخیره‌ انرژی باتری و افزایش سرمایه‌گذاری در فناوری‌های نوین، چشم‌انداز روشن‌تری برای آینده این شرکت ترسیم می‌کند.

با توجه به روند جهانی کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای، سرمایه‌گذاری در نیکل سبز نه‌ تنها یک الزام زیست‌محیطی بلکه به یک مزیت رقابتی راهبردی برای شرکت‌ها تبدیل شده است. در شرایطی که بازارهای جهانی به‌ سرعت به‌ سوی الکترونیکی شدن در بخش حمل‌ونقل و نصب سیستم ذخیره انرژی باتری حرکت می‌کنند، زنجیره تامین مواد اولیه، به‌ ویژه فلزات حیاتی مانند نیکل باید با رویکردی پایدار و کم‌کربن بازطراحی شود.

شرکت تسلا با پیش‌قدم شدن در این مسیر، نه‌  تنها تلاش کرده است تا وابستگی خود به منابع آلاینده را کاهش دهد بلکه از منظر اقتصادی نیز آینده‌نگرانه عمل کرده است زیرا تامین پایدار نیکل طی سال‌های آینده می‌تواند به یکی از چالش‌های اصلی صنعت باتری تبدیل شود. از این‌ رو، پیروی از الگوی سرمایه‌گذاری این شرکت در بخش نیکل سبز، می‌تواند برای سایر بازیگران صنعت فلزات و معدن به عنوان الگویی موفق در نظر گرفته شود.

در مجموع نیکل به‌ عنوان یکی از عناصر کلیدی در گذار جهانی به انرژی‌های پاک، نقشی بنیادین در تولید باتری‌های قابل شارژ، خودروهای الکتریکی و سامانه‌های ذخیره‌سازی انرژی ایفا می‌کند. با این وجود، استفاده از روش‌های مرسوم فعلی استخراج و فرآوری آن به‌ دلیل مصرف بالای انرژی و انتشار گسترده گازهای گلخانه‌ای، با اهداف زیست‌محیطی در این تحول مغایرت دارد.

در چنین شرایطی، به‌کارگیری نوآوری‌هایی مانند فرایند ذوب احیا مستقیم با پلاسما هیدروژن، چشم‌اندازی نویدبخش برای اجرای فرایند کربن‌زدایی در زنجیره تولید نیکل را ارائه می‌کند. فناوری توسعه‌یافته توسط موسسه «Max Planck Institute for Sustainable Materials» نه‌ تنها امکان استخراج نیکل از ذخایر کم‌عیار را فراهم می‌سازد بلکه با کاهش شدید انتشار کربن، مسیر پایدارتری را برای حرکت صنعت حمل‌ونقل به سمت فرایند الکتریکی‌سازی ترسیم می‌کند.

علاوه‌براین، آلیاژ نیکل حاصل از این فرایند قابلیت استفاده مستقیم در تولید فولاد زنگ‌نزن را دارد و حتی پس از فرآوری بیشتر، می‌توان از آن به‌ عنوان ماده الکترودی در تولید باتری‌ها استفاده کرد. در مجموع، این روش نوین در تولید نیکل، با قابلیت مقیاس‌پذیری بالا و سازگار با انرژی‌های تجدیدپذیر، ظرفیت بالایی برای توسعه خودروهای الکتریکی، بهینه‌سازی سیستم ذخیره انرژی باتری در شبکه برق و حرکت به‌ سوی آینده‌ای سبزتر فراهم می‌کند.

انتهای پیام//