Ultrazvuk za reciklažu litijum-jonskih baterija

• Litijum-jonske baterije koje se koriste u električnim automobilima tek sada dolaze na masovno tržište i sa njima se moraju razvijati kapaciteti za reciklažu.
• Ultrazvučno luženje je efikasna, ekološki prihvatljiva tehnika za obnavljanje metala kao što su Li, Mg, Co, Ni itd. iz istrošenih Li-ion baterija.
• Hielscher industrijski ultrazvučni sistemi za aplikacije za ispiranje su pouzdani i robusni i mogu se lako integrisati u postojeća postrojenja za reciklažu.

Recikliranje litijum-jonskih baterija

Litijum-jonske baterije se široko koriste u električnim vozilima (EV), laptopovima i mobilnim telefonima. To znači da su istrošene litijum-jonske baterije trenutni izazov u pogledu upravljanja otpadom i recikliranja. Baterije su glavni pokretač troškova za EV, a i njihovo odlaganje je skupo. Ekološki i ekonomski aspekti potiču zatvorenu petlju recikliranja jer otpadne baterije sadrže vrijedne materijale i pomažu u smanjenju ugljičnog otiska proizvodnje litijum-jonskih baterija.
Recikliranje litijum-jonskih baterija raste u napredan industrijski sektor kako bi se osigurala buduća dostupnost rijetkih zemnih metala i drugih komponenti baterija i kako bi se smanjili ekološki troškovi rudarenja.

Pirometalurško i hidrometalurško recikliranje u odnosu na recikliranje ultrazvučnih baterija

U nastavku upoređujemo konvencionalne metode pirometalurških i hidrometalurških procesa sa tehnikom ultrazvučnog luženja u pogledu prednosti i mana.

Nedostaci konvencionalnog recikliranja baterija

Tradicionalne metode koje se koriste za reciklažu litijum-jonskih baterija uključuju pirometalurške i hidrometalurške procese.
 
Pirometalurške metode uključuju procese visoke temperature kao što su topljenje ili spaljivanje. Baterije su podvrgnute ekstremnoj toploti, uzrokujući da organske komponente izgore, a preostale metalne komponente se tope i odvajaju. Međutim, ove metode imaju neke nedostatke:

• Uticaj na okoliš: Pirometalurški procesi oslobađaju štetne emisije i zagađivače u atmosferu, doprinoseći zagađenju zraka i potencijalno zdravstvenim opasnostima.
• Gubitak materijala: Visokotemperaturni procesi mogu dovesti do gubitka vrijednih materijala i metala zbog termičke degradacije, smanjujući ukupnu stopu oporavka.
• Energetski intenzivno: Ove metode obično zahtijevaju značajan unos energije, što povećava operativne troškove i ekološki otisak.

 
Hidrometalurške metode uključuju hemijsko luženje kako bi se rastvorile komponente baterije i izvukli vredni metali. Iako je ekološki prihvatljivija od pirometalurških metoda, hidrometalurgija ima svoje nedostatke:

• Hemijska upotreba: Za ispiranje su potrebne jake kiseline ili druge korozivne hemikalije, što izaziva zabrinutost u pogledu rukovanja hemikalijama, upravljanja otpadom i potencijalne kontaminacije životne sredine.
• Izazovi selektivnosti: Postizanje selektivnog ispiranja željenih metala može biti teško, što dovodi do nižih stopa oporavka i potencijalnog gubitka vrijednih resursa.

 

Prednosti ultrazvučnog ispiranja baterija u odnosu na konvencionalne tehnike

U poređenju sa pirometalurškim i hidrometalurškim tehnikama recikliranja, ultrazvučna tehnika recikliranja baterija nadmašuje se zbog različitih prednosti:

1. Poboljšana efikasnost: Ultrazvučna sonikacija može ubrzati razgradnju materijala baterija, što rezultira kraćim vremenom obrade i većom ukupnom efikasnošću.
2. Poboljšane stope oporavka: Kontrolisana primjena ultrazvučne kavitacije poboljšava razgradnju komponenti baterije, povećavajući stope oporavka vrijednih metala.
3. Ekološki prihvatljivo: Ultrazvučno recikliranje smanjuje oslanjanje na visoke temperature i jake hemikalije, minimizirajući uticaj na životnu sredinu i snižavajući emisije zagađujućih materija.
4. Selektivno ispiranje: Kontrolisana primjena ultrazvuka omogućava ciljano ometanje određenih komponenti unutar baterije, efikasno ih razdvajajući. Budući da se različita jedinjenja baterija koja se mogu reciklirati uklanjaju i rastvaraju pod određenim ultrazvučnim intenzitetima, optimizovani parametri obrade omogućavaju selektivno ispiranje pojedinačnih materijala. Ovo olakšava efikasno odvajanje vrijednih metala i materijala.
5. Smanjena potrošnja energije: U poređenju s obje, hidrometalurškim i posebno pirometalurškim metodama, ultrazvučno recikliranje je općenito energetski učinkovitije, što dovodi do nižih operativnih troškova i smanjenog ugljičnog otiska.
6. Skalabilnost i fleksibilnost: Ultrazvučni sistemi se mogu lako povećati ili smanjiti kako bi se prilagodili različitim veličinama baterija i proizvodnim kapacitetima. Dodatno, ultrasonikatori za reciklažu baterija mogu se lako integrirati u već postojeće objekte za reciklažu baterija. Lako dostupni na različitim skalama snage i odgovarajućim dodacima kao što su ultrazvučne sonde i reaktori sa protočnim ćelijama, ultrazvučni aparati mogu da rukuju komponentama baterija različitih veličina i proizvodnih kapaciteta, obezbeđujući skalabilnost i prilagodljivost u procesima recikliranja.
7. Sinergijska integracija: Ultrazvučno ispiranje se može integrirati u postojeće linije za reciklažu hidrometalurških baterija kako bi se intenziviralo i poboljšalo hidrometalurško ispiranje vrijednih metala i materijala iz istrošenih Li-ion baterija.

Sve u svemu, ultrazvučno recikliranje baterija obećava kao ekološki prihvatljiviji, efikasniji i selektivniji metod u poređenju sa tradicionalnim pirometalurškim i hidrometalurškim pristupima.

 

Industrijsko ultrazvučno luženje za oporavak metala iz istrošenih baterija

Ultrazvučno luženje i ekstrakcija metala mogu se primijeniti na procese recikliranja litijum-kobalt oksidnih baterija (npr. iz laptopa, pametnih telefona, itd.), kao i složenih litijum-nikl-mangan-kobalt baterija (npr. iz električnih vozila).
Ultrazvuk velike snage je dobro poznat po svojoj sposobnosti da obrađuje hemijske tečnosti i suspenzije u cilju poboljšanja prenosa mase i iniciranja hemijskih reakcija.
Intenzivni efekti ultrazvučne obrade temelje se na fenomenu akustične kavitacije. Spajanjem ultrazvuka velike snage u tečnosti / kašu, naizmenični talasi niskog pritiska i talasi visokog pritiska u tečnostima stvaraju male vakuumske mehuriće. Male vakuumske šupljine rastu tokom različitih ciklusa niskog pritiska / visokog pritiska sve dok ne eksplodiraju nasilno. Mehurići vakuuma koji se kolabiraju mogu se smatrati mikroreaktorima u kojima su temperature do 5000K, pritisci do 1000atm i brzine grijanja i hlađenja iznad 10^-10 pojaviti. Nadalje, stvaraju se jake hidrodinamičke posmične sile i mlazovi tekućine sa brzinom do 280 m/s. Ovi ekstremni uslovi akustične kavitacije stvaraju izvanredne fizičke i hemijske uslove u inače hladnim tečnostima i stvaraju povoljno okruženje za hemijske reakcije (tzv. Sonochemistry).

Ultrazvučno generirana kavitacija može izazvati termolizu otopljenih tvari kao i stvaranje visoko reaktivnih radikala i reagensa, kao što su slobodni radikali, hidroksidni joni (•OH,) hidronij (H₃O+) itd., koji obezbeđuju izvanredne reaktivne uslove u tečnosti tako da se brzina reakcije značajno povećava. Čvrste tvari kao što su čestice ubrzavaju se mlazovima tekućine i melje se interpartikularnim sudarom i abrazijom povećavajući aktivnu površinu i time prijenos mase.
Velika prednost ultrazvučnog ispiranja i oporavka metala je precizna kontrola parametara procesa kao što su amplituda, pritisak i temperatura. Ovi parametri omogućavaju da se uslovi reakcije tačno podese na medijum procesa i ciljani izlaz. Nadalje, ultrazvučno ispiranje uklanja čak i najsitnije metalne čestice sa podloge, uz očuvanje mikrostrukture. Poboljšani oporavak metala je rezultat ultrazvučnog stvaranja visoko reaktivnih površina, povećane brzine reakcije i poboljšanog transporta mase. Procesi sonikacije mogu se optimizirati utjecanjem na svaki parametar i stoga su ne samo vrlo učinkoviti već i visoko energetski učinkoviti.
Njegova tačna kontrola parametara i energetska efikasnost čine ultrazvučno ispiranje povoljnom i vrhunskom tehnikom – posebno u poređenju sa komplikovanim tehnikama luženja kiselinama i helacije.

Ultrazvučni oporavak LiCoO₂ od istrošenih litijum-jonskih baterija

Ultrazvučna obrada pomaže reduktivnom ispiranju i hemijskom taloženju, koji se koriste za obnavljanje Li kao Li₂CO₃ i Co kao Co(OH)₂ od otpadnih litijum-jonskih baterija.
Zhang et al. (2014) izvještavaju o uspješnom oporavku LiCoO₂ pomoću ultrazvučnog reaktora. da bi pripremili početnu otopinu od 600mL, stavili su 10g neispravnog LiCoO₂ praha u čašu i dodano 2,0 mol/L rastvora LiOH, koje su pomešane.
Smjesa je izlivena u ultrazvučno zračenje i pokrenut je uređaj za miješanje, uređaj za miješanje je postavljen u unutrašnjost reakcionog spremnika. Zagrijana je na 120◦C, a zatim je Ultrazvučni uređaj je bio postavljen na 800W, a ultrazvučni način djelovanja bio je postavljen na impulsne radne cikluse od 5 sekundi. UKLJUČENO / 2 sek. ISKLJUČENO. Ultrazvučno zračenje je primijenjeno 6 sati, a zatim je reakciona smjesa ohlađena na sobnu temperaturu. Čvrsti ostatak je ispran nekoliko puta dejonizovanom vodom i osušen na 80°C do konstantne težine. Dobijeni uzorak je sakupljen za naknadno testiranje i proizvodnju baterija. Kapacitet punjenja u prvom ciklusu je 134,2mAh/g, a kapacitet pražnjenja je 133,5mAh/g. Efikasnost prvog punjenja i pražnjenja bila je 99,5%. Nakon 40 ciklusa, kapacitet pražnjenja je i dalje 132,9 mAh/g. (Zhang et al. 2014.)
 

 
Ultrazvučno ispiranje organskim kiselinama kao što je limunska kiselina nije samo efikasno već je i ekološki prihvatljivo. Istraživanja su pokazala da je ispiranje Co i Li efikasnije sa limunskom kiselinom nego sa neorganskim kiselinama H2SO4 i HCl. Više od 96% Co i skoro 100% Li dobijeno je iz istrošenih litijum-jonskih baterija. Činjenica da su organske kiseline kao što su limunska kiselina i sirćetna kiselina jeftine i biorazgradive, doprinosi daljim ekonomskim i ekološkim prednostima sonikacije.

Industrijski ultrazvuk velike snage za ispiranje metala iz istrošenih baterija

Hielscher Ultrasonics je vaš dugogodišnji dobavljač za visoko efikasne i pouzdane ultrazvučne sisteme, koji isporučuju potrebnu snagu za ispiranje metala iz otpadnih materijala. Za ponovnu obradu litijum-jonskih baterija ekstrakcijom metala kao što su kobalt, litijum, nikl i mangan, neophodni su snažni i robusni ultrazvučni sistemi. Hielscher Ultrasonics industrijske jedinice kao što su UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) i UIP16000 (16kW) su najmoćniji i najsnažniji ultrazvučni sistemi visokih performansi na tržištu. Sve naše industrijske jedinice mogu kontinuirano raditi s vrlo visokim amplitudama do 200 µm u radu 24 sata dnevno. Za još veće amplitude, dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Robusnost Hielscher ultrazvučne opreme omogućava 24/7 rad u teškim uslovima iu zahtjevnim okruženjima. Hielscher također isporučuje posebne sonotrode i reaktore za visoke temperature, tlakove i korozivne tekućine. Ovo čini naše industrijske ultrazvučne aparate najpogodnijim za tehnike ekstrakcijske metalurgije, npr. hidrometalurške tretmane.

Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata:

---

---

Literatura/Reference

• 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.