الموجات فوق الصوتية لإعادة تدوير بطاريات ليثيوم أيون

• بطاريات الليثيوم أيون المستخدمة في السيارات الكهربائية تأتي الآن إلى السوق الشامل ومعها ، يجب تطوير قدرات إعادة التدوير.
• الترشيح بالموجات فوق الصوتية هو تقنية فعالة وصديقة للبيئة لاستعادة المعادن مثل Li و Mg و Co و Ni وما إلى ذلك من بطاريات Li-ion المستهلكة.
• أنظمة الموجات فوق الصوتية الصناعية Hielscher لتطبيقات الترشيح موثوقة وقوية ويمكن دمجها بسهولة في مصانع إعادة التدوير القائمة.

إعادة تدوير بطاريات الليثيوم أيون

تستخدم بطاريات الليثيوم أيون على نطاق واسع في السيارات الكهربائية (EV) وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف المحمولة. هذا يعني أن بطاريات الليثيوم أيون المستهلكة تمثل تحديا حاليا فيما يتعلق بإدارة النفايات وإعادة تدويرها. تعد البطاريات محركا رئيسيا لتكلفة المركبات الكهربائية ، كما أن التخلص منها مكلف أيضا. تدفع الجوانب البيئية والاقتصادية إلى حلقة إعادة تدوير مغلقة لأن نفايات البطارية تحتوي على مواد قيمة وتساعد على تقليل البصمة الكربونية لتصنيع بطاريات الليثيوم أيون.
تنمو إعادة تدوير بطاريات Li-ion إلى قطاع صناعي مزدهر من أجل ضمان التوافر المستقبلي للمعادن الأرضية النادرة ومكونات البطاريات الأخرى وتقليل التكاليف البيئية للتعدين.

إعادة التدوير الحرارية والهيدروميتالورجية مقابل إعادة تدوير البطاريات بالموجات فوق الصوتية

أدناه ، نقارن الطرق التقليدية للعمليات الحرارية والهيدروميتالورجيا مع تقنية الترشيح بالموجات فوق الصوتية فيما يتعلق بالمزايا والعيوب.

عيوب إعادة تدوير البطاريات التقليدية

تشمل الطرق التقليدية المستخدمة لإعادة تدوير بطاريات الليثيوم أيون العمليات الحرارية والهيدرومترية.
 
طرق بيروماتيالورجية تنطوي على عمليات درجة حرارة عالية مثل الصهر أو الحرق. تتعرض البطاريات للحرارة الشديدة ، مما يتسبب في احتراق المكونات العضوية ، ويتم إذابة المكونات المعدنية المتبقية وفصلها. ومع ذلك ، فإن هذه الطرق لها بعض العيوب:

• الأثر البيئي: تطلق العمليات الحرارية انبعاثات ضارة وملوثات في الغلاف الجوي ، مما يساهم في تلوث الهواء ويحتمل أن يسبب مخاطر صحية.
• فقدان المواد: يمكن أن تؤدي عمليات درجات الحرارة العالية إلى فقدان المواد والمعادن الثمينة بسبب التدهور الحراري ، مما يقلل من معدل الاسترداد الإجمالي.
• كثيفة الاستهلاك للطاقة: تتطلب هذه الطرق عادة مدخلات طاقة كبيرة ، مما يزيد من التكاليف التشغيلية والبصمة البيئية.

 
طرق التعدين المائي تتضمن الترشيح الكيميائي لإذابة مكونات البطارية واستخراج المعادن الثمينة. في حين أن التعدين المائي أكثر ملاءمة للبيئة من الطرق الحرارية ، إلا أن له عيوبه الخاصة:

• الاستخدام الكيميائي: هناك حاجة إلى الأحماض القوية أو غيرها من المواد الكيميائية المسببة للتآكل للترشيح ، مما يثير مخاوف بشأن التعامل مع المواد الكيميائية ، وإدارة النفايات ، والتلوث البيئي المحتمل.
• تحديات الانتقائية: قد يكون تحقيق الترشيح الانتقائي للمعادن المرغوبة أمرا صعبا ، مما يؤدي إلى انخفاض معدلات الاسترداد والخسارة المحتملة للموارد القيمة.

مزايا ترشيح البطارية بالموجات فوق الصوتية على التقنيات التقليدية

بالمقارنة مع كل من تقنيات إعادة التدوير الحرارية والمعدنية المائية ، تتفوق تقنية إعادة تدوير البطاريات بالموجات فوق الصوتية بسبب المزايا المختلفة:

1. تعزيز الكفاءة: صوتنة بالموجات فوق الصوتية يمكن تسريع انهيار مواد البطارية ، مما يؤدي إلى أوقات معالجة أقصر وكفاءة إجمالية أعلى.
2. تحسين معدلات الاسترداد: يعزز التطبيق المتحكم فيه للتجويف بالموجات فوق الصوتية انهيار مكونات البطارية ، مما يزيد من معدلات استرداد المعادن الثمينة.
3. الصديقه: تقلل إعادة التدوير بالموجات فوق الصوتية من الاعتماد على درجات الحرارة المرتفعة والمواد الكيميائية القاسية ، مما يقلل من التأثير البيئي ويقلل من انبعاثات الملوثات.
4. الترشيح الانتقائي: يسمح التطبيق المتحكم فيه للموجات فوق الصوتية بالتعطيل المستهدف لمكونات معينة داخل البطارية ، وفصلها بكفاءة. نظرا لإزالة مركبات البطاريات المختلفة القابلة لإعادة التدوير وتذويبها تحت شدة الموجات فوق الصوتية المحددة ، فإن معلمات المعالجة المحسنة تسمح بالترشيح الانتقائي للمواد الفردية. هذا يسهل الفصل الفعال للمعادن والمواد الثمينة.
5. انخفاض استهلاك الطاقة: بالمقارنة مع كل من الطرق المائية المعدنية وخاصة طرق المعالجة الحرارية ، فإن إعادة التدوير بالموجات فوق الصوتية تكون بشكل عام أكثر كفاءة في استخدام الطاقة ، مما يؤدي إلى انخفاض تكاليف التشغيل وتقليل البصمة الكربونية.
6. قابلية التوسع والمرونة: يمكن توسيع نطاق أنظمة الموجات فوق الصوتية بسهولة لأعلى أو لأسفل لاستيعاب أحجام البطاريات المختلفة وقدرات الإنتاج. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن دمج الموجات فوق الصوتية لإعادة تدوير البطاريات بسهولة في مرافق إعادة تدوير البطاريات الموجودة بالفعل. متوفر بسهولة في مختلف مقاييس الطاقة والملحقات المطابقة مثل المجسات بالموجات فوق الصوتية ومفاعلات خلايا التدفق ، يمكن للموجات فوق الصوتية التعامل مع مكونات البطاريات بأحجام مختلفة وقدرات الإنتاج ، مما يوفر قابلية التوسع والقدرة على التكيف في عمليات إعادة التدوير.
7. التكامل التآزري: يمكن دمج الترشيح بالموجات فوق الصوتية في خطوط إعادة تدوير البطاريات المائية الحالية من أجل تكثيف وتحسين الترشيح المائي المعدني للمعادن والمواد الثمينة من بطاريات Li-ion المستهلكة.

بشكل عام ، تظهر إعادة تدوير البطاريات بالموجات فوق الصوتية واعدة كطريقة أكثر ملاءمة للبيئة وكفاءة وانتقائية مقارنة بالأساليب التقليدية الحرارية والهيدروميتالورجية.

الترشيح بالموجات فوق الصوتية الصناعية لاستعادة المعادن من البطاريات المستهلكة

يمكن تطبيق الترشيح بالموجات فوق الصوتية واستخراج المعادن على عمليات إعادة تدوير بطاريات أكسيد الكوبالت الليثيوم (على سبيل المثال من أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف الذكية وما إلى ذلك) وكذلك بطاريات الليثيوم والنيكل والمنغنيز والكوبالت المعقدة (على سبيل المثال من السيارات الكهربائية).
تشتهر الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة بقدرتها على معالجة السوائل الكيميائية والملاط من أجل تحسين نقل الكتلة وبدء التفاعلات الكيميائية.
وتستند الآثار الشديدة للموجات فوق الصوتية السلطة على ظاهرة التجويف الصوتية. من خلال اقتران الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة بالسوائل / الملاط ، تولد موجات الضغط المنخفض والضغط العالي المتناوبة في السوائل فقاعات فراغ صغيرة. تنمو الفراغات الصغيرة على مدار دورات الضغط المنخفض / الضغط العالي المختلفة حتى تنفجر بعنف. يمكن اعتبار فقاعات الفراغ المنهارة مفاعلات دقيقة تصل فيها درجات الحرارة إلى 5000 كلفن ، وضغوط تصل إلى 1000 ضغط جوي ، ومعدلات تسخين وتبريد أعلى من 10^-10 حزب. علاوة على ذلك ، يتم توليد قوى قص هيدروديناميكية قوية ونفاثات سائلة بسرعة تصل إلى 280 م / ث. هذه الظروف القاسية للتجويف الصوتي تخلق ظروفا فيزيائية وكيميائية غير عادية في السوائل الباردة وتخلق بيئة مفيدة للتفاعلات الكيميائية (ما يسمى سونوكيمياء).

الانتعاش بالموجات فوق الصوتية من LiCoO₂ من بطاريات الليثيوم أيون المستهلكة

Ultrasonication يساعد على الترشيح المختزل وهطول الأمطار الكيميائية ، والتي تستخدم لاستعادة لي كما لي₂ثاني أكسيد الكربون₃ وشركاه ك كو (أوهايو)₂ من نفايات بطاريات الليثيوم أيون.
Zhang et al. (2014) تقرير الانتعاش الناجح ل LiCoO₂ باستخدام مفاعل بالموجات فوق الصوتية. من أجل تحضير محلول البدء البالغ 600 مل ، وضعوا 10 جرام من LiCoO غير صالح₂ مسحوق في دورق وإضافة 2.0mol / L من محلول LiOH ، والتي تم خلطها.
تم سكب الخليط في التشعيع بالموجات فوق الصوتية وبدأ جهاز التحريك ، وتم وضع جهاز التحريك في داخل حاوية التفاعل. تم تسخينه إلى 120 درجة مئوية ، ثم جهاز الموجات فوق الصوتية تم ضبطه على 800 واط وتم ضبط وضع العمل بالموجات فوق الصوتية على دورات عمل نابضة مدتها 5 ثوان تشغيل / 2 ثانية. تم تطبيق التشعيع بالموجات فوق الصوتية لمدة 6 ساعات ، ثم تم تبريد خليط التفاعل إلى درجة حرارة الغرفة. تم غسل البقايا الصلبة عدة مرات بالماء منزوع الأيونات وتجفيفها عند 80 درجة مئوية حتى وزن ثابت. تم جمع العينة التي تم الحصول عليها للاختبار اللاحق وإنتاج البطارية. تبلغ سعة الشحن في الدورة الأولى 134.2 مللي أمبير / جم وقدرة التفريغ 133.5 مللي أمبير / جرام. بلغت كفاءة الشحن والتفريغ لأول مرة 99.5٪. بعد 40 دورة ، لا تزال قدرة التفريغ 132.9 مللي أمبير / جم (Zhang et al. 2014)
 

تستخدم بلورات LiCoO2 قبل (أ) وبعد (ب) العلاج بالموجات فوق الصوتية عند 120 درجة مئوية لمدة 6 ساعات.
الدراسة والصور: ©Zhang et al. 2014

 
الترشيح بالموجات فوق الصوتية مع الأحماض العضوية مثل حامض الستريك ليس فعالا فحسب ، بل إنه صديق للبيئة أيضا. وجدت الأبحاث أن ترشيح Co و Li أكثر كفاءة مع حامض الستريك من الأحماض غير العضوية H2SO4 و HCl. تم استرداد أكثر من 96٪ Co وما يقرب من 100٪ Li من بطاريات الليثيوم أيون المستهلكة. حقيقة أن الأحماض العضوية مثل حامض الستريك وحمض الخليك غير مكلفة وقابلة للتحلل ، يساهم في مزيد من المزايا الاقتصادية والبيئية للصوتنة.

الموجات فوق الصوتية الصناعية عالية الطاقة لترشيح المعادن من البطاريات المستهلكة

Hielscher Ultrasonics هو المورد الخاص بك من ذوي الخبرة الطويلة لأنظمة الموجات فوق الصوتية عالية الكفاءة والموثوقة، والتي توفر الطاقة المطلوبة لترشيح المعادن من النفايات. من أجل إعادة معالجة بطاريات ليثيوم أيون عن طريق استخراج المعادن مثل الكوبالت والليثيوم والنيكل والمنغنيز ، تعد أنظمة الموجات فوق الصوتية القوية والقوية ضرورية. Hielscher الموجات فوق الصوتية الوحدات الصناعية مثل UIP4000hdT (4kW)، UIP6000hdT (6kW)، UIP10000 (10kW)، و UIP16000 (16kW) هي أقوى وأقوى أنظمة الموجات فوق الصوتية عالية الأداء في السوق. يمكن تشغيل جميع وحداتنا الصناعية بشكل مستمر بسعات عالية جدا تصل إلى 200 ميكرومتر في عملية 24/7. للحصول على سعات أعلى ، تتوفر سونوتروديس بالموجات فوق الصوتية المخصصة. متانة معدات الموجات فوق الصوتية Hielscher يسمح لعملية 24/7 في الخدمة الشاقة وفي البيئات الصعبة. Hielscher لوازم سونوتروديس خاصة والمفاعلات لدرجات الحرارة العالية، والضغوط والسوائل المسببة للتآكل، أيضا. هذا يجعل الموجات فوق الصوتية الصناعية لدينا الأكثر ملاءمة لتقنيات التعدين الاستخراجية ، على سبيل المثال المعالجات المعدنية المائية.

يمنحك الجدول أدناه مؤشرا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة الموجات فوق الصوتية لدينا:

حقائق تستحق المعرفة

بطاريات ليثيوم أيون

بطاريات الليثيوم أيون (LIB) هي المصطلح الجماعي للبطاريات (القابلة لإعادة الشحن) التي توفر كثافة طاقة عالية ويتم دمجها بشكل متكرر في الإلكترونيات الاستهلاكية مثل السيارات الإلكترونية والسيارات الهجينة وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف المحمولة وأجهزة iPod وما إلى ذلك. بالمقارنة مع المتغيرات الأخرى للبطاريات القابلة لإعادة الشحن ذات الحجم والسعة المماثلة ، فإن LIBs أخف بكثير.
على عكس بطارية الليثيوم الأساسية التي تستخدم لمرة واحدة ، يستخدم LIB مركب الليثيوم المقحم بدلا من الليثيوم المعدني كقطب كهربائي. المكونات الرئيسية لبطارية ليثيوم أيون هي أقطابها الكهربائية – الأنود والكاثود – والكهارل.
تشترك معظم الخلايا في مكونات مشتركة من حيث المنحل بالكهرباء والفاصل والرقائق والغلاف. الفرق الرئيسي بين تقنيات الخلايا هو المواد المستخدمة ك “المواد الفعالة” مثل الكاثود والأنود. الجرافيت هو المادة الأكثر استخداما كأنود ، في حين أن الكاثود مصنوع من طبقات LiMO2 (M = Mn ، Co ، و Ni) ، الإسبنيل LiMn₂O₄، أو الزبرجد الزيتوني LiFePO₄. تسمح الشوارد السائلة العضوية المنحل بالكهرباء (على سبيل المثال ، ملح LiPF6 المذاب في خليط من المذيبات العضوية ، مثل كربونات الإيثيلين (EC) ، وكربونات ثنائي ميثيل (DMC) ، وكربونات ثنائي إيثيل (DEC) ، وكربونات إيثيل ميثيل (EMC) ، وما إلى ذلك) بالحركة الأيونية.
اعتمادا على مواد القطب الموجب (الكاثود) والسالب (الأنود) ، تختلف كثافة الطاقة والجهد ل LIBs على التوالي.
عند استخدامها في السيارات الكهربائية ، غالبا ما يتم استخدام بطارية السيارة الكهربائية (EVB) أو بطارية الجر. تستخدم بطاريات الجر هذه في الرافعات الشوكية وعربات الجولف الكهربائية وأجهزة تنظيف الأرضيات والدراجات النارية الكهربائية والسيارات الكهربائية والشاحنات والشاحنات الصغيرة والمركبات الكهربائية الأخرى.

إعادة تدوير المعادن من بطاريات Li-Ion المستهلكة

بالمقارنة مع الأنواع الأخرى من البطاريات التي تحتوي غالبا على الرصاص أو الكادميوم ، تحتوي بطاريات Li-ion على معادن أقل سمية وبالتالي تعتبر صديقة للبيئة. ومع ذلك ، فإن الكمية الهائلة من بطاريات Li-ion المستهلكة ، والتي سيتعين التخلص منها كبطاريات مستهلكة من السيارات الكهربائية ، تمثل مشكلة إهدار. لذلك ، من الضروري وجود حلقة إعادة تدوير مغلقة لبطاريات Li-ion. من وجهة نظر اقتصادية ، يمكن استعادة العناصر المعدنية مثل الحديد والنحاس والنيكل والكوبالت والليثيوم وإعادة استخدامها في إنتاج بطاريات جديدة. يمكن لإعادة التدوير أن تمنع حدوث نقص في المستقبل أيضا.
على الرغم من أن البطاريات ذات الأحمال العالية من النيكل تدخل السوق ، إلا أنه لا يمكن إنتاج بطاريات بدون الكوبالت. يأتي محتوى النيكل العالي بتكلفة: مع زيادة محتوى النيكل ، ينخفض استقرار البطارية وبالتالي يتم تقليل دورة حياتها وقدرة الشحن السريع.

يتطلب الطلب المتزايد على بطاريات Li-ion زيادة قدرات إعادة التدوير لبطاريات النفايات.

عملية إعادة التدوير

بطاريات السيارات الكهربائية مثل Tesla Roadster لها عمر تقريبي يبلغ 10 سنوات.
تعد إعادة تدوير بطاريات Li-ion المستنفدة عملية شاقة نظرا لأن المواد الكيميائية عالية الجهد والخطرة متورطة ، والتي تأتي مع مخاطر الهروب الحراري والصدمة الكهربائية وانبعاث المواد الخطرة.
من أجل إنشاء حلقة مغلقة لإعادة التدوير ، يجب فصل كل رابطة كيميائية وجميع العناصر إلى كسورها الفردية. ومع ذلك ، فإن الطاقة اللازمة لإعادة تدوير الحلقة المغلقة باهظة الثمن. المواد الأكثر قيمة للاسترداد هي المعادن مثل Ni و Co و Cu و Li وما إلى ذلك لأن التعدين الباهظ الثمن وارتفاع أسعار السوق للمكونات المعدنية تجعل إعادة التدوير جذابة اقتصاديا.
تبدأ عملية إعادة تدوير بطاريات Li-ion بتفكيك البطاريات وتفريغها. قبل فتح البطارية ، يلزم التخميل لتعطيل المواد الكيميائية في البطارية. يمكن تحقيق التخميل عن طريق التجميد المبرد أو الأكسدة الخاضعة للرقابة. اعتمادا على حجم البطارية ، يمكن تفكيك البطاريات وتفكيكها وصولا إلى الخلية. بعد التفكيك والسحق ، يتم عزل المكونات بعدة طرق (مثل الغربلة ، الغربلة ، الانتقاء اليدوي ، الفصل المغناطيسي ، الرطب ، والباليستي) من أجل إزالة أغلفة الخلايا والألمنيوم والنحاس والبلاستيك من مسحوق القطب. يعد فصل مواد القطب الكهربائي ضروريا لعمليات المصب ، مثل المعالجة الهيدرولوجية.
الانحلال الحراري
للمعالجة الانحلال الحراري ، يتم صهر البطاريات المقطعة في فرن حيث يضاف الحجر الجيري كعامل تشكيل الخبث.

العمليات الحرارية المائية
تعتمد المعالجة الهيدرولوجية على التفاعلات الحمضية من أجل ترسيب الأملاح كمعادن. تشمل العمليات الهيدرولوجية النموذجية الترشيح والترسيب والتبادل الأيوني واستخراج المذيبات والتحليل الكهربائي للمحاليل المائية.
تتمثل ميزة المعالجة الحرارية المائية في عائد الاسترداد العالي + 95٪ من Ni و Co كأملاح ، ويمكن ترسيب +90٪ من Li ، ويمكن استرداد الباقي حتى + 80٪.

يعتبر الكوبالت بشكل خاص مكونا مهما في كاثودات بطارية الليثيوم أيون لتطبيقات الطاقة والطاقة العالية.
تستخدم السيارات الهجينة الحالية مثل تويوتا بريوس بطاريات هيدريد معدن النيكل ، والتي يتم تفكيكها وتفريغها وإعادة تدويرها بطريقة مماثلة لبطاريات Li-ion.

الأدب / المراجع