Ултразвук за рециклиране на литиево-йонни батерии
- Литиево-йонните батерии, използвани в електрическите автомобили, сега идват на масовия пазар и с тях трябва да се развият капацитетите за рециклиране.
- Ултразвуковото извличане е ефикасна, екологична техника за извличане на метали като Li, Mg, Co, Ni и т.н. от изтеглени литиево-йонни батерии.
- Хилсърските индустриални ултразвукови системи за приложения за извличане са надеждни и здрави и могат лесно да бъдат интегрирани в съществуващи инсталации за рециклиране.
Рециклиране на литиево-йонни батерии
Литиево-йонните батерии се използват широко в електрическите превозни средства (EV), лаптопи и клетъчни телефони. Това означава, че изразходваните литиево-йонни батерии са Настоящо предизвикателство по отношение на управлението на отпадъците и рециклирането. Батериите са основен двигател на разходите за ЕДС, и тяхното разположение е скъпо, също. Екологичните и икономическите аспекти са насочени към затворен цикъл на рециклиране, тъй като отпадъците от батерии съдържат ценни материали и спомагат за намаляване на въглеродния отпечатък на производството на литиево-йонни батерии.
Рециклирането на литиево-йонни батерии се развива в процъфтяващ индустриален сектор, за да се осигури бъдещата наличност на метали от редкоземни метали и други компоненти на батериите и да се намалят екологичните разходи за добива.
Промишлено ултразвуково извличане
Ултразвуковото извличане и извличането на метали могат да бъдат приложени за процесите на рециклиране на батерии от литиев кобалтов оксид (например лаптопи, смартфони и др.), Както и на сложни литиево-никел-манганови-кобалтови батерии (например електрически автомобили).
Ултразвукът с висока мощност е добре известен със способността си да обработва химически течности и шлам, за да подобри масовия трансфер и да предизвика химични реакции.
Интензивните ефекти на ултразвуковата сила са базирани на явлението акустична кавитация. Чрез свързване на ултразвук с висока мощност в течности / каша, променливите вълни с ниско налягане и високо налягане в течности генерират малки вакуумни мехурчета. Малките вакуумни кухини растат по различни цикли с ниско налягане / високо налягане, докато имплантът се насилва. Свиващите се вакуумни мехурчета могат да се разглеждат като микрореактори, при които температури до 5000 К, налягания до 1000 сантиметра и скорости на нагряване и охлаждане над 10-10 възникне. Освен това се генерират силни хидродинамични сили на срязване и течни струи с скорост до 280 м / сек. Тези екстремни условия на акустична кавитация създават извънредно физични и химични условия в иначе студени течности и създават благоприятна среда за химични реакции (Sonochemistry).
48kW ултразвуков процесор
за взискателни приложения като излугване на метали
Ултразвукова излугване на метали от изтощени батерии.
Голямото предимство на ултразвуковото извличане и възстановяването на метала е точният контрол върху параметрите на процеса, като амплитуда, налягане и температура. Тези параметри позволяват да се регулират реакционните условия точно в средата на процеса и целевия изход. Освен това ултразвуковото извличане отстранява дори най-малките метални частици от субстрата, като същевременно запазва микроструктурите. Подобреното възстановяване на металите се дължи на ултразвуковото създаване на силно реактивни повърхности, увеличените скорости на реакция и подобреното транспортиране на масата. Sonication процесите могат да бъдат оптимизирани чрез повлияване на всеки параметър и поради това са не само много ефективни, но и много енергийно ефективни.
Точното управление на параметрите и енергийната ефективност правят ултразвуковото извличане на благоприятната и отлична техника – особено когато се сравни с сложните киселинни методи за излугване и хелатиране.
Ултразвуково възстановяване на LiCoO2 от изтеглени литиево-йонни батерии
Ултразвуковата апаратура подпомага редукционното извличане и химическото утаяване, които се използват за възстановяване на Li като Li2CO3 и Co като Co (OH)2 от отпадъчни литиево-йонни батерии.
Zhang et al. (2014 г.) съобщават за успешното възстановяване на LiCoO2 използвайки ултразвуков реактор. за да се подготви стартовия разтвор от 600 mL, те поставят 10 g невалиден LiCoO2 прах в бехерова чаша и добавени 2.0 mol / L разтвор на LiOH, които бяха смесени.
Сместа се излива в ултразвуково облъчване и разбъркващото устройство започва, а разбъркващото устройство се поставя във вътрешността на реакционния съд. То беше загрято до 120 ° С, а след това Ултразвуков апарат беше настроен на 800 W и ултразвуковият режим на действие беше настроен на импулсни цикли на действие от 5 секунди. ON / 2 сек. OFF. Ултразвуковото облъчване се прилага в продължение на 6 часа, след което реакционната смес се охлажда до стайна температура. Твърдият остатък се промива няколко пъти с дейонизирана вода и се суши при 80 ° С до постоянно тегло. Получената проба се събира за последващо тестване и производство на батерии. Капацитетът на заряда в първия цикъл е 134,2mAh / g, а капацитетът на разряд е 133,5mAh / g. Ефективността на заряда и изпускането за пръв път беше 99.5%. След 40 цикъла капацитетът на разтоварване все още е 132.9mAh / g. (Zhang et al., 2014)
Използват се кристали LiCoO2 преди (а) и след (б) ултразвуково третиране при 120◦C в продължение на 6 часа. източник: Zhang et al. 2014
Ултразвуковото извличане с органични киселини като лимонената киселина е не само ефективно, но и екологосъобразно. Проучванията установяват, че излугването на Co и Li е по-ефективно с лимонената киселина отколкото с неорганичните киселини Н.2ТАКА4 и НС1. Повече от 96% Co и почти 100% Li бяха възстановени от преработени литиево-йонни батерии. Фактът, че органичните киселини като лимонена киселина и оцетна киселина са евтини и биоразградими, допринася за по-нататъшните икономически и екологични предимства на ултразвук.
Високоенергийни промишлени ултразвукови устройства
Hielscher Ultrasonics е дългогодишен доставчик на високоефективни и надеждни ултразвукови системи, които осигуряват необходимата мощност за извличане на метали от отпадъчни материали. За да се преработят литиево-йонните батерии чрез извличане на метали като кобалт, литий, никел и манган, мощните и стабилни ултразвукови системи са от съществено значение. Hielscher Ultrasonics’ - промишлени единици като UIP4000hdT (4 кВт), UIP10000 (10 kW) и UIP16000 (16kW) са най-мощните и здрави високопроизводителни ултразвукови системи на пазара. Всички наши промишлени агрегати могат да работят непрекъснато с много високи амплитуди до 200 μm при работа 24 часа в денонощието. За дори по-високи амплитуди са налични персонализирани ултразвукови синотроди. Здравината на ултразвуковото оборудване на Hielscher дава възможност за работа 24 часа в денонощието в тежки условия и в трудна среда. Hielscher доставя специални ситотроди и реактори за високи температури, налягане и корозивни течности. Това прави нашите промишлени ултразвукови апарати най-подходящи за екстракционни металургични техники, напр. Хидрометалургични обработки.
Таблицата по-долу дава индикация за приблизителната капацитет за преработка на нашите ultrasonicators:
| Партида том | Дебит | Препоръчителни Devices |
|---|---|---|
| 00,1 до 20L | 00,2 до 4 л / мин | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10 л / мин | UIP4000 |
| п.а. | 10 до 100 L / мин | UIP16000 |
| п.а. | по-голям | струпване на UIP16000 |
Факти заслужава да се знае
Литиево-йонни батерии
Литиево-йонните батерии (LIB) са колективните терми за акумулаторни батерии, които предлагат висока енергийна плътност и често се интегрират в потребителската електроника като електронни автомобили, хибридни автомобили, лаптопи, мобилни телефони, iPod и др. В сравнение с други варианти на акумулаторни батерии с подобен размер и капацитет, LIB са значително по-леки.
За разлика от литиевата първична батерия за еднократна употреба, LIB използва интеркализирано литиево съединение вместо метален литий като своя електрод. Основните съставки на литиево-йонната батерия са нейните електроди – анод и катод – и електролита.
Повечето клетки споделят общи компоненти по отношение на електролита, сепаратора, фолиото и корпуса. Основната разлика между клетъчните технологии е материалът, използван като “активни материали” като катод и анод. Графитът е най-често използваният материал като анод, докато катодът е направен от слоест LiMO2 (M = Mn, Co, Ni), spinel LiMn2Най-4, или оливин LiFePO4, Електролитните органични течни електролити (например LiPF6 сол, разтворени в смес от органични разтворители, като етиленкарбонат (ЕС), диметилкарбонат (DMC), диетилов карбонат (DEC), етилметилкарбонат (EMC) йонно движение.
В зависимост от положителния (катод) и отрицателния (аноден) електроден материал, енергийната плътност и напрежението на LIBs варират съответно.
Когато се използва в електрически автомобили, често се използва електрическа батерия (EVB) или тягова батерия. Такива батерии се използват при мотокари, електрически колички за голф, скрубери за подове, електрически мотоциклети, електрически автомобили, камиони, ванове и други електрически превозни средства.
Рециклиране на метал от изтеглени литиево-йонни батерии
В сравнение с други видове батерии, които често съдържат олово или кадмий, литиево-йонните батерии съдържат по-малко токсични метали и следователно се считат за екологични. Обаче огромното количество отработени литиево-йонни батерии, които ще трябва да се изхвърлят като употребени батерии от електрически автомобили, представляват проблем с отпадъците. Ето защо е необходима затворена циркулация на литиево-йонните батерии. От икономическа гледна точка метални елементи като желязо, мед, никел, кобалт и литий могат да се възстановят и да се използват отново за производството на нови батерии. Рециклирането би могло да предотврати бъдещ недостиг.
Въпреки че батериите с по-високо съдържание на никел навлизат на пазара, не е възможно да се произвеждат батерии без кобалт. По-високото съдържание на никел идва с цената: при повишено съдържание на никел, стабилността на акумулатора намалява и поради това неговият жизнен цикъл и способността за бързо зареждане намаляват.
Нарастващото търсене на литиево-йонни батерии изисква увеличаване на капацитета за рециклиране на отпадъчните батерии.
Процес на рециклиране
Батериите на електрически автомобили като Tesla Roadster имат приблизителен живот от 10 години.
Рециклирането на изчерпани литиево-йонни батерии е процес, изискващ високи напрежения и опасни химикали, които са свързани с рисковете от топлинни изтичания, токов удар и излъчване на опасни вещества.
За да се създаде рециклиране на затворена верига, всяка химическа връзка и всички елементи трябва да бъдат разделени на отделни фракции. Въпреки това, енергията, необходима за такова рециклиране на затворен цикъл, е много скъпо. Най-ценните материали за оползотворяване са метали като Ni, Co, Cu, Li и т.н., тъй като скъпите добиви и високите пазарни цени на металните компоненти правят рециклирането икономически привлекателна.
Процесът на рециклиране на литиево-йонните батерии започва с демонтирането и разтоварването на батериите. Преди да отворите батерията, е необходимо пасивиране за инактивиране на химикалите в акумулатора. Пасивацията може да бъде постигната чрез замразяване чрез криогенно замърсяване или контролирано окисление. В зависимост от размера на батерията батериите могат да бъдат демонтирани и разглобени надолу до клетката. След разглобяването и раздробяването компонентите се изолират чрез няколко метода (напр. Скрининг, пресяване, ръчно бране, магнитно, мокро и балистично разделяне), за да се отстранят клетъчните обвивки, алуминия, медта и пластмасите от праха на електрода. Разделянето на електродните материали е необходимо за процесите надолу по веригата, напр. Хидрометалургично третиране.
пиролиза
За пиролитична обработка, нарязаните батерии се топе в пещ, където се добавя варовик като шлакообразуващ агент.
Хидротермални процеси
Хидрометалургичната обработка се основава на киселинни реакции, за да се утаят солите като метали. Типичните хидрометалургични процеси включват излугване, утаяване, йонен обмен, екстракция с разтворител и електролиза на водни разтвори.
Предимството на хидротермалната обработка е високият добив от + 95% от Ni и Co като соли, + 90% от Li могат да бъдат утаени, а останалата част може да се възстанови до + 80%.
Особено кобалтът е критичен компонент в катодни литиево-йонни батерии за високоенергийни и мощни приложения.
Текущите хибридни автомобили, като например Toyota Prius, използват никел метал хидридни батерии, които се демонтират, разреждат и рециклират по подобен начин като литиево-йонните батерии.
Позоваването литература /
- Golmohammadzadeh R., Rashchi F., Vahidi E. (2017): Recovery of lithium and cobalt from spent lithium-ion batteries using organic acids: Process optimization and kinetic aspects. Waste Management 64, 2017. 244–254.
- Shin S.-M.; Lee D.-W.; Wang J.-P. (2018): Fabrication of Nickel Nanosized Powder from LiNiO2 from Spent Lithium-Ion Battery. Metals 8, 2018.
- Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J. (2014): Ultrasound-assisted Hydrothermal Renovation of LiCoO2 from the Cathode of Spent Lithium-ion Batteries. Int. J. Electrochem. Sci., 9 (2014). 3691-3700.
- Zhang Z., He W., Li G., Xia J., Hu H., Huang J., Shengbo Z. (2014): Recovery of Lithium Cobalt Oxide Material from the Cathode of Spent Lithium-Ion Batteries. ECS Electrochemistry Letters, 3 (6), 2014. A58-A61.
Мощна звукова обработка от лаборатория и пейка до индустриално производство.