Ултразвук за рециклиране на литиево-йонни батерии

• Литиево-йонните батерии, използвани в електрическите автомобили, едва сега навлизат на масовия пазар и успоредно с това трябва да се развие капацитетът за рециклиране.
• Ултразвуковото излужване е ефективна, екологосъобразна техника за извличане на метали като Li, Mg, Co, Ni и др. от излезли от употреба литиево-йонни батерии.
• Промишлените ултразвукови системи на Hielscher за приложения с излужване са надеждни и устойчиви и могат лесно да се интегрират в съществуващи инсталации за рециклиране.

Рециклиране на литиево-йонни батерии

Литиево-йонните батерии се използват широко в електрически превозни средства (EV), лаптопи и мобилни телефони. Това означава, че излезлите от употреба литиево-йонни батерии представляват актуално предизвикателство за управлението на отпадъците и рециклирането. Батериите са основен фактор за разходите за електрическите превозни средства, а обезвреждането им също е скъпо. Екологичните и икономическите съображения налагат затворен цикъл на рециклиране, тъй като отпадъците от батерии съдържат ценни материали и спомагат за намаляване на въглеродния отпечатък от производството на литиево-йонни батерии.
Рециклирането на литиево-йонни батерии се превръща в процъфтяващ промишлен сектор, за да се осигури бъдещата наличност на редкоземни метали и други компоненти на батериите и да се намалят екологичните разходи от добива.

Пирометалургично и хидрометалургично рециклиране в сравнение с ултразвуково рециклиране на батерии

По-долу сравняваме конвенционалните методи на пирометалургичните и хидрометалургичните процеси с техниката на ултразвуково излужване по отношение на предимствата и недостатъците.

Недостатъци на конвенционалното рециклиране на батерии

Традиционните методи за рециклиране на литиево-йонни батерии включват пирометалургични и хидрометалургични процеси.
 
Пирометалургичните методи включват високотемпературни процеси като топене или изгаряне. Батериите се подлагат на екстремно нагряване, което води до изгаряне на органичните компоненти, а останалите метални компоненти се стопяват и отделят. Тези методи обаче имат някои недостатъци:

• Въздействие върху околната среда: Пирометалургичните процеси отделят вредни емисии и замърсители в атмосферата, като допринасят за замърсяването на въздуха и потенциално създават опасности за здравето.
• Загуба на материали: Високотемпературните процеси могат да доведат до загуба на ценни материали и метали поради термично разграждане, което намалява общата степен на извличане.
• Висока енергоемкост: Тези методи обикновено изискват значителен енергиен разход, което увеличава експлоатационните разходи и екологичния отпечатък.

 
Хидрометалургичните методи включват химично излужване за разтваряне на компонентите на батериите и извличане на ценни метали. Макар да е по-екологосъобразна от пирометалургичните методи, хидрометалургията има свои недостатъци:

• Използване на химикали: За излужването са необходими силни киселини или други корозивни химикали, което поражда опасения относно работата с химикали, управлението на отпадъците и потенциалното замърсяване на околната среда.
• Предизвикателства пред селективността: Постигането на селективно излужване на желаните метали може да бъде трудно, което води до по-ниски степени на извличане и потенциална загуба на ценни ресурси.

 

Предимства на ултразвуковото излужване на батерии пред конвенционалните техники

В сравнение както с пирометалургичните, така и с хидрометалургичните техники за рециклиране, техниката за ултразвуково рециклиране на батерии ги превъзхожда благодарение на различни предимства:

1. Повишена ефективност: Ултразвуковата обработка може да ускори разграждането на материалите на батериите, което води до по-кратко време за обработка и по-висока обща ефективност.
2. По-високи степени на извличане: Контролираното прилагане на ултразвукова кавитация подобрява разграждането на компонентите на батериите, като увеличава степените на извличане на ценни метали.
3. Екологосъобразност: Ултразвуковото рециклиране намалява зависимостта от високи температури и агресивни химикали, като свежда до минимум въздействието върху околната среда и намалява емисиите на замърсители.
4. Селективно излужване: Контролираното прилагане на ултразвук позволява целенасочено разрушаване на конкретни компоненти в батерията и ефективното им отделяне. Тъй като различните рециклируеми съединения в батериите се отстраняват и разтварят при определени ултразвукови интензитети, оптимизираните параметри на обработка позволяват селективно излужване на отделни материали. Това улеснява ефективното отделяне на ценни метали и материали.
5. Намалено потребление на енергия: В сравнение както с хидрометалургичните, така и особено с пирометалургичните методи, ултразвуковото рециклиране като цяло е по-енергийно ефективно, което води до по-ниски експлоатационни разходи и намален въглероден отпечатък.
6. Мащабируемост и гъвкавост: Ултразвуковите системи могат лесно да се мащабират нагоре или надолу, за да се приспособят към различни размери на батериите и производствени капацитети. Освен това ултразвуковите апарати за рециклиране на батерии могат лесно да се интегрират във вече съществуващи съоръжения за рециклиране на батерии. Предлагани в различни мощности и със съответстващи принадлежности като ултразвукови сонди и реактори с проточни клетки, ултразвуковите апарати могат да обработват компоненти на батерии с различни размери и при различни производствени капацитети, като осигуряват мащабируемост и адаптивност на процесите на рециклиране.
7. Синергична интеграция: Ултразвуковото излужване може да се интегрира в съществуващи линии за хидрометалургично рециклиране на батерии, за да се интензифицира и подобри хидрометалургичното излужване на ценни метали и материали от излезли от употреба литиево-йонни батерии.

Като цяло ултразвуковото рециклиране на батерии се очертава като перспективен, по-екологосъобразен, ефективен и селективен метод в сравнение с традиционните пирометалургични и хидрометалургични подходи.

 

Промишлено ултразвуково излужване за извличане на метали от излезли от употреба батерии

Ултразвуковото излужване и извличането на метали могат да се прилагат в процесите на рециклиране на батерии с литиево-кобалтов оксид (напр. от лаптопи, смартфони и др.), както и на сложни литиево-никелово-манганово-кобалтови батерии (напр. от електрически превозни средства).
Ултразвукът с висока мощност е добре известен със способността си да обработва химични течности и суспензии, за да подобри масообмена и да инициира химични реакции.
Интензивните ефекти на ултразвуковата обработка с висока мощност се основават на явлението акустична кавитация. Чрез предаване на ултразвук с висока мощност в течности / суспензии редуващите се вълни с ниско и високо налягане в течностите създават малки вакуумни мехурчета. Малките вакуумни кухини нарастват в продължение на няколко цикъла с ниско / високо налягане, докато не имплодират бурно. Колабиращите вакуумни мехурчета могат да се разглеждат като микрореактори, в които температури до 5000K, налягания до 1000atm и скорости на нагряване и охлаждане над 10^-10 се достигат. Освен това се генерират силни хидродинамични сили на срязване и течни струи със скорост до 280m/s. Тези екстремни условия на акустична кавитация създават изключителни физични и химични условия в иначе студени течности и благоприятна среда за химични реакции (т.нар. сонохимия).

Ултразвуково генерираната кавитация може да предизвика термолиза на разтворени вещества, както и образуване на силно реактивни радикали и реагенти като свободни радикали, хидроксидни йони (•OH,), хидрониеви йони (H₃O+) и др., които осигуряват изключителни условия за реакция в течността, така че скоростта на реакцията значително се увеличава. Твърдите вещества, например частиците, се ускоряват от течните струи и се раздробяват чрез сблъсъци между частиците и абразия, като се увеличава активната повърхност и съответно масообменът.
Голямото предимство на ултразвуковото излужване и извличане на метали е прецизният контрол върху параметрите на процеса като амплитуда, налягане и температура. Тези параметри позволяват условията на реакцията да се настроят точно според технологичната среда и целевия резултат. Освен това ултразвуковото излужване отстранява дори най-малките метални частици от субстрата, като същевременно запазва микроструктурите. Подобреното извличане на метали се дължи на ултразвуковото създаване на силно реактивни повърхности, увеличените скорости на реакция и подобрения масопренос. Процесите на ултразвукова обработка могат да се оптимизират чрез въздействие върху всеки параметър и затова са не само много ефективни, но и с висока енергийна ефективност.
Прецизният контрол на параметрите и енергийната ефективност правят ултразвуковото излужване предпочитана и превъзхождаща техника – особено в сравнение със сложните техники на киселинно излужване и хелатиране.

Ултразвуково извличане на LiCoO₂ от излезли от употреба литиево-йонни батерии

Ултразвуковата обработка подпомага редукционното излужване и химичното утаяване, които се използват за извличане на Li под формата на Li₂CO₃ и на Co под формата на Co(OH)₂ от отпадъчни литиево-йонни батерии.
Zhang et al. (2014) съобщават за успешно извличане на LiCoO₂ с помощта на ултразвуков реактор. За да приготвят изходния разтвор с обем 600mL, те поставят 10g негоден за употреба LiCoO₂ на прах в лабораторна чаша и добавят разтвор на LiOH с концентрация 2,0mol/L, след което смесват съставките.
Сместа беше прехвърлена за ултразвуково облъчване и устройството за разбъркване беше включено; то беше поставено във вътрешността на реакционния съд. Сместа беше нагрята до 120◦C, след което ултразвуковият апарат беше настроен на 800W, а режимът на ултразвуково въздействие беше настроен на импулсни работни цикли от 5 sec. ВКЛ. / 2sec. ИЗКЛ. Ултразвуковото облъчване беше приложено в продължение на 6h, след което реакционната смес се охлади до стайна температура. Твърдият остатък беше промит няколко пъти с дейонизирана вода и изсушен при 80◦C до постоянна маса. Получената проба беше събрана за последващи изпитвания и производство на батерии. Капацитетът при зареждане през първия цикъл е 134,2mAh/g, а капацитетът при разреждане е 133,5mAh/g. Ефективността при първото зареждане и разреждане беше 99,5%. След 40 цикъла капацитетът при разреждане все още е 132,9mAh/g. (Zhang et al. 2014)
 

 
Ултразвуковото излужване с органични киселини като лимонена киселина е не само ефективно, но и екологосъобразно. Изследванията установяват, че излужването на Co и Li е по-ефективно с лимонена киселина, отколкото с неорганичните киселини H2SO4 и HCl. От излезли от употреба литиево-йонни батерии са извлечени повече от 96% от Co и почти 100% от Li. Фактът, че органичните киселини като лимонена и оцетна киселина са евтини и биоразградими, допринася за допълнителни икономически и екологични предимства на ултразвуковата обработка.

Промишлен ултразвук с висока мощност за излужване на метали от излезли от употреба батерии

Hielscher Ultrasonics е вашият доставчик с дългогодишен опит в областта на високоефективните и надеждни ултразвукови системи, които осигуряват необходимата мощност за излужване на метали от отпадъчни материали. За преработване на литиево-йонни батерии чрез извличане на метали като кобалт, литий, никел и манган са необходими мощни и устойчиви ултразвукови системи. Промишлените апарати на Hielscher Ultrasonics като UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) и UIP16000 (16kW) са най-мощните и най-устойчивите високопроизводителни ултразвукови системи на пазара. Всички наши промишлени апарати могат да работят непрекъснато с много високи амплитуди до 200µm в режим 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат ултразвукови сонотроди по индивидуална поръчка. Устойчивостта на ултразвуковото оборудване на Hielscher позволява работа в режим 24/7 при голямо натоварване и в тежки условия. Hielscher доставя също специални сонотроди и реактори за високи температури, налягания и корозивни течности. Това прави нашите промишлени ултразвукови апарати най-подходящи за техники на екстрактивната металургия, напр. хидрометалургична обработка.

Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати:

---

---

Литература/Източници

• 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.