Ultrazvuk za reciklažu litijum-jonskih baterija
- Litijum-jonske baterije koje se koriste u električnim automobilima tek sada dolaze na masovno tržište, a uz to i kapaciteti reciklaže moraju biti razvijeni.
- Ultrazvučno iscrpljenje je efikasna, ekološki prihvatljiva tehnika za oporavak metala kao što su Li, Mg, Co, Ni itd. Iz potrošenih Li-ion baterija.
- Hielscher-ovi industrijski ultrazvučni sistemi za izlivanje su pouzdani i robusni i mogu se lako integrirati u postojeće postrojenja za reciklažu.
Recikliranje litijum-jonskih baterija
Litijum-jonske baterije se generalno koriste u električnoj vozilima (EV), laptopovima i mobilnim telefonima. To znači da su potrošili litijumsko-jonske baterije trenutni izazov u vezi upravljanja otpadom i recikliranja. Baterije su veliki vozač za EVs, a i njihovo odlaganje je skupo. Ekološke i ekonomske aspekte guraju se ka zatvorenoj petlji od akumulatora koji sadrži vrijedne materijale i pomaže u smanjenju ugljičnog otiska proizvodnje litijumsko-jonskih baterija.
Reciklaža litijum-jonskih baterija raste u uspešnom industrijskom sektoru kako bi se osigurala budućnost dostupnosti retkih zemnih metala i drugih komponenti akumulatora i smanjila troškovi životne sredine rudarstva.
Industrijsko ultrazvučno izlivanje
U procesu reciklaže litijum-kobalt-oksidnih baterija (npr. Laptopova, pametnih telefona i sl.), Kao i složenih litijum-nikel-mangan-kobalt baterija (npr.
Ultrazvuk visoke snage je dobro poznat po svojoj sposobnosti obrade hemijskih tečnosti i muljeva radi poboljšanja prenosa mase i iniciranja hemijskih reakcija.
Intenzivni efekti ultrazvucavanja moći se zasnivaju na fenomen akustične kavitacije. Spajanjem visoko-snage ultrazvuka u tečnosti / mlaznice, naizmenični talasi niskog pritiska i visokog pritiska u tečnostima stvaraju male vakuumske mjehuriće. Mala usisna praznina raste preko različitih ciklusa niskog pritiska / visokog pritiska sve dok se ne udari nasilno. Sakupljajući vakuumski mehurići se mogu smatrati mikroreaktorima u kojima se temperature do 5000K, pritiscima do 1000atm i stopama grejanja i hlađenja iznad 10-10 pojaviti. Pored toga, generišu se snažne hidrodinamičke sile naprezanja i tečnosti sa brzinom do 280m / s. Ovi ekstremni uslovi akustične kavitacije stvaraju izuzetne fizičke i hemijske uslove u inače hladnim tečnostima i stvaraju korisno okruženje za hemijske reakcije (Sonohemiju).
48kW ultrazvučni procesor
za zahtevne primjene kao što su ispiranje metala
Ultrazvučno izlivanje metala iz iscrpljenog otpada iz akumulatora.
Velika prednost ultrazvučnog ispiranja i obnavljanja metala je precizna kontrola parametara procesa, kao što su amplituda, pritisak i temperatura. Ovi parametri omogućavaju prilagođavanje reakcionih uslova tačno procesnom mediju i ciljanom izlazu. Štaviše, ultrazvučno luženje uklanja čak i najmanju metalnu česticu sa podloge, uz očuvanje mikrostruktura. Poboljšani oporavak metala usled je ultrazvučnog stvaranja visoko reaktivnih površina, povećanih reakcija i poboljšanog transporta u masi. Procesi sonikacije mogu se optimizirati uticanjem na svaki parametar i stoga nisu samo vrlo efikasni već i visoko energetski efikasni.
Njena precizna kontrola parametara i energetska efikasnost čine ultrazvučno iscrpljivanje povoljne i izuzetne tehnike – naročito u poređenju sa komplikovanim metodama za isticanje kiseline i keliranje.
Ultrazvučno oporavak LiCoO-a2 iz potrošene litijum-jonske baterije
Ultrasonikacija pomaže u redukovanju i iscrpljivanju hemikalija, koji se koriste za ozdravljenje Li kao Li2Kolorado3 i Co kao Co (OH)2 iz otpadnih litijum-jonskih baterija.
Zhang et al. (2014) izveštavaju o uspješnom oporavku LiCoO-a2 koristeći ultrazvučni reaktor. da bi pripremili početni rastvor od 600mL, postavili su 10g nevažećeg LiCoO-a2 prašak u čaši i dodali 2,0 mol / L LiOH rastvora, koji su bili mešani.
Smeša je sipana u ultrazvučno zračenje i započet je uređaj za mešanje, uređaj za mešanje je postavljen u unutrašnjost reakcionog kontejnera. Bio je zagrejan do 120 ◦C, a zatim Ultrazvučni uređaj postavljen je na 800W i ultrazvučni način rada je podešen na impulsne cikluse rada od 5 sekundi. ON / 2sec. ISKLJUČENO. Ultrazvučno zračenje nanošeno je 6h, a zatim je reakciona smeša ohlađena na sobnu temperaturu. Čvrsti ostatak je nekoliko puta ispran sa deionizovanom vodom i osušen na 80 ° C do konstantne težine. Dobijeni uzorak je sakupljen za kasnije testiranje i proizvodnju baterija. Kapacitet punjenja u prvom ciklusu je 134.2mAh / g, a kapacitet pražnjenja je 133.5mAh / g. Efikasnost punjenja i pražnjenja za prvu upotrebu bila je 99,5%. Nakon 40 ciklusa, kapacitet pražnjenja je i dalje 132.9mAh / g. (Zhang i drugi 2014)
Koriste LiCoO2 kristale pre (a) i nakon (b) ultrazvučnog tretmana na 120◦C tokom 6h. izvor: Zhang et al. 2014
Ultrazvučno ispiranje sa organskim kiselinama kao što je limunska kiselina nije samo efektivno već i ekološki prihvatljivo. Istraživanje je pokazalo da je isticanje Co i Li efikasnije kod limunske kiseline nego kod neorganskih kiselina H2Pa4 i HCl. Više od 96% Co i skoro 100% Li je bilo oporavljeno od potrošenih litijum-jonskih baterija. Činjenica da su organske kiseline, kao što su limunska kiselina i sirćetna kiselina, jeftine i biorazgradive, doprinose daljim ekonomskim i ekološkim prednostima ultrazvučenja.
Industrijska ultrazvučna tehnika visoke snage
Hielscher Ultrasonics je vaš dugogodišnji dobavljač za visoko efikasne i pouzdane ultrazvučne sisteme, koji isporučuju potrebnu snagu za ispiranje metala iz otpadnih materijala. Da bi se reprogramirali li-ionske baterije ekstrahovanjem metala kao što su kobalt, litijum, nikal i mangan, neophodni su snažni i robustni ultrazvučni sistemi. Hielscher Ultrazvuk’ industrijske jedinice kao što su UIP4000hdT (4 kW), UIP10000 (10kW) i UIP16000 (16kW) su najsnažniji i robustni ultrazvučni sistemi visokih performansi na tržištu. Sve naše industrijske jedinice mogu se kontinuirano raditi sa vrlo visokim amplitudama do 200μm u radu 24/7. Za još veće amplitude dostupne su i prilagođene ultrazvučne sonotrode. Robustnost Hielscher-ove ultrazvučne opreme omogućava 24/7 rad na zahtevnim i zahtevnim okruženjima. Hielscher isporučuje specijalne sonotrode i reaktore za visoke temperature, pritiske i korozivne tečnosti. Ovo čini naše industrijske ultrazvučne uređaje najprikladnijim za tehnike ekstraktivne metalurgije, npr. Hidrometalurške tretmane.
Tabela u nastavku daje naznaku približan kapacitet prerade naših ultrasonicators:
| Batch Volumen | protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 00,1 do 20L | 00,2 do 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 do 100l | 2 do 10L / min | UIP4000 |
| N / A. | 10 do 100L / min | UIP16000 |
| N / A. | veći | klaster UIP16000 |
Činjenice vredi znati
Litijum-jonske baterije
Litijum-jonske baterije (LIB) su kolektivni termini za (punjive) baterije koji nude visoku energetsku gustinu i često se integrišu u potrošačku elektroniku kao što su elektronski automobili, hibridni automobili, laptopovi, mobiteli, iPodovi itd. U poređenju sa druge varijante punjivih baterija slične veličine i kapaciteta, LIB su znatno lakše.
Za razliku od litijum primarne baterije za jednokratnu upotrebu, LIB koristi interkalentno litijumsko jedinjenje umesto metalskog litijuma kao svoje elektrode. Glavni sastojci litijum-jonske baterije su njene elektrode – anoda i katoda – i elektrolit.
Većina ćelija deli zajedničke komponente u smislu elektrolita, separatora, folije i kućišta. Glavna razlika između ćelijskih tehnologija je materijal koji se koristi kao “aktivni materijali” kao što su katod i anoda. Grafit je najčešće korišćeni materijal kao anod, dok je katod izrađen od slojevitog LiMO2 (M = Mn, Co, i Ni), spinel LiMn2The4, ili olivin LiFePO4. Elektrolitski organski tečni elektroliti (npr. Sol LiPF6 rastvoreni u smeši organskih rastvarača, kao što su etilen karbonat (EK), dimetilkarbonat (DMC), dietil karbonat (DEC), etil metil karbonat (EMC) itd. jonski pokret.
U zavisnosti od pozitivnih (katodnih) i negativnih (anodnih) elektrodnih materijala, gustina energije i napon LIB-a variraju respektivno.
Kada se koristi u električnim vozilima, često se koristi električna baterija (EVB) ili vučna baterija. Takve baterije se koriste u viljuškama, električnim kolicima za golf, podnim prskalicama, električnim motociklima, električnim automobilima, kamionima, kombijama i drugim električnim vozilima.
Recikliranje metala iz potrošenih Li-Ion baterija
U poređenju sa drugim vrstama baterija koje često sadrže olovo ili kadmijum, Li-ion baterije sadrže manje toksičnih metala i stoga se smatraju ekološkim. Međutim, ogromna količina potrošenih Li-ion baterija, koja će se odlagati kao potrošene baterije od električnih automobila, predstavlja problem otpada. Zbog toga je neophodna zatvorena petlja za reciklažu Li-ion baterija. Sa ekonomičnog aspekta, metalni elementi poput gvožđa, bakra, nikla, kobalta i litijuma mogu se oporaviti i ponovo koristiti u proizvodnji novih baterija. Recikliranje može sprečiti i budući nedostatak.
Iako dolaze na tržište baterije sa većim opterećenjem nikla, nije moguće proizvesti baterije bez kobalta. Veći sadržaj nikla dolazi po cijeni: Sa povećanim sadržajem nikla stabilnost baterije smanjuje se i time smanjuje životni vek ciklusa i mogućnost brzog punjenja.
Rastuća potražnja za Li-ion baterijama zahteva povećanje kapaciteta za reciklažu otpadnih baterija.
Proces reciklaže
Baterije električnih vozila kao što je Tesla Roadster imaju približno 10 godina.
Recikliranje iscrpljenih litijum-jonskih baterija je zahtjevan proces jer su uključeni visokonaponski i opasne hemikalije, koji dolaze sa rizikom od termičkog izbegavanja, strujnog udara i emisije opasnih materija.
U cilju uspostavljanja recikliranja zatvorene petlje, svaka hemijska veza i svi elementi moraju biti odvojeni u njihove pojedine frakcije. Međutim, energija potrebna za recikliranje zatvorene petlje je veoma skupa. Najvredniji materijali za oporavak su metali kao što su Ni, Co, Cu, Li i dr. Pošto skupo rudarstvo i visoke tržišne cijene metalnih komponenti čine reciklažu ekonomski atraktivnim.
Proces reciklaže Li-ion baterija počinje sa demontažom i pražnjenjem baterija. Pre otvaranja baterije potrebna je pasivizacija za deaktiviranje hemikalija u bateriji. Pasivacija se može postići primjenom kriogenog zamrzavanja ili kontrolisanom oksidacijom. U zavisnosti od veličine baterije, baterije se mogu demontirati i demontirati do ćelije. Nakon demontaže i drobljenja, komponente se izoluju pomoću nekoliko metoda (npr. Skrininga, sejanja, izbora ruku, magnetnog, vlažnog i balističkog odvajanja) kako bi se uklonili ćelijski poklopci, aluminijum, bakar i plastika iz praha elektrode. Odvajanje elektrodnih materijala je neophodno za nizvodne procese, npr. Hidrometalurški tretman.
Piroliza
Za pirolitičku obradu, rashlađene baterije se topionišu u peći gde se krečnjak dodaje kao sredstvo za formiranje žlijege.
Hidrotermički procesi
Hidrometalurška obrada se zasniva na kiselim reakcijama kako bi se sipale soli kao metali. Tipični hidrometalurški procesi uključuju isceljivanje, padavine, razmjenu jona, ekstrakciju rastvarača i elektrolizu vodenih rastvora.
Prednost hidrotermalne obrade je visoki prinos oporavka od + 95% Ni i Co kao soli, + 90% Li se može precipitirati, a ostatak može doći do + 80%.
Posebno kobalt predstavlja kritičnu komponentu litijum-jonskih katodnih baterija za primjenu na visokoj energiji i energiji.
Trenutni hibridni automobili kao što je Toyota Prius, koriste nikl-metal-hidridne baterije, koji su demontirani, ispražnjeni i reciklirani na sličan način kao i Li-ion baterije.
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.
Snažna ultrazvučnost iz laboratorije i klupe na industrijsku proizvodnju.