Hielscher Ultrasonics
Biće nam drago da razgovaramo o vašem procesu.
Pozovite nas: +49 3328 437-420
Pošaljite nam mail: info@hielscher.com

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.

Zahtjev za informacijama




Obratite pažnju na naše Politika privatnosti.




Hielscherovi ultrasonikatori su pouzdani i robusni sistemi za ispiranje metala.

Ultrazvučni procesor od 48 kW
za zahtjevne primjene kao što je ispiranje metala

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.

 

Snažna ultrazvučna kavitacija na Hielscher Cascatrode

Snažna ultrazvučna kavitacija na Hielscher Cascatrode

 

Zahtjev za informacijama




Obratite pažnju na naše Politika privatnosti.




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).
Industrijski ultrazvučni reaktor sa više sonda za oporavak metala iz istrošenih Li-ion baterija. Ultarsonično luženje daje visoke prinose litijuma, kobalta, bakra, aluminijuma i nikla.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 luženje u reciklaži istrošenih Li-Ion baterija. (Kliknite za uvećanje!)

Ultrazvučno ispiranje metala iz istrošenih baterija.

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.)
 

Ultrazvučna metoda probnog tipa poboljšava ispiranje i oporavak plemenitih metala i materijala iz istrošenih Li-ion baterija. Hielscher Ultrasonics isporučuje ultrasonikatore po principu ključ u ruke spremne za instalaciju u postrojenje za reciklažu baterija za poboljšane prinose recikliranja.

Korišćeni LiCoO2 kristali pre (a) i posle (b) ultrazvučnog tretmana na 120◦C tokom 6h.
Studija i slike: ©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

UIP4000hdT - Hielscherov ultrazvučni sistem visokih performansi od 4kW 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:

Batch Volume Flow Rate Preporučeni uređaji
0.1 do 20L 0.2 do 4L/min UIP2000hdT
10 do 100L 2 do 10 l/min UIP4000hdT
20 do 200L 4 do 20 l/min UIP6000hdT
N / A 10 do 100L/min UIP16000
N / A veći klaster of UIP16000

Kontaktiraj nas! / Pitajte nas!

Molimo koristite obrazac ispod, ako želite zatražiti dodatne informacije o ultrazvučnoj homogenizaciji. Biće nam drago da Vam ponudimo ultrazvučni sistem koji zadovoljava Vaše zahteve.









Molimo obratite pažnju na naše Politika privatnosti.






Činjenice koje vrijedi znati

Litijum-jonske baterije

Litijum-jonske baterije (LIB) su zajednički naziv za (punjive) baterije koje nude visoku gustinu energije i često su integrisane u potrošačku elektroniku kao što su elektronski automobili, hibridni automobili, laptopovi, mobilni telefoni, iPodi, itd. druge varijante punjivih baterija slične veličine i kapaciteta, LIB-ovi su znatno lakši.
Za razliku od primarne litijumske baterije za jednokratnu upotrebu, LIB kao elektrodu koristi interkalirani litijum umesto metalnog litijuma. Glavni sastojci litijum-jonske baterije su njene elektrode – anodu i katodu – i elektrolit.
Većina ćelija ima zajedničke komponente u smislu elektrolita, separatora, folija i kućišta. Glavna razlika između ćelijskih tehnologija je materijal koji se koristi kao “aktivni materijali” kao što su katoda i anoda. Grafit je najčešće korišćeni materijal kao anoda, dok je katoda napravljena od slojevitog LiMO2 (M = Mn, Co i Ni), spinela LiMn2O4, ili olivin LiFePO4. Elektroliti organski tečni elektroliti (npr. LiPF6 so rastvorena u mešavini organskih rastvarača, kao što su etilen karbonat (EC), dimetil karbonat (DMC), dietil karbonat (DEC), etil metil karbonat (EMC), itd.) omogućavaju jonsko kretanje.
U zavisnosti od materijala pozitivne (katoda) i negativne (anoda) elektrode, gustoća energije i napon LIB-a variraju respektivno.
Kada se koristi u električnim vozilima, često se koristi baterija za električna vozila (EVB) ili vučna baterija. Takve vučne baterije se koriste u viljuškarima, električnim kolicima za golf, mašinama za pranje podova, električnim motociklima, električnim automobilima, kamionima, kombijima i drugim električnim vozilima.

Recikliranje metala iz istrošenih Li-Ion baterija

U poređenju sa drugim tipovima baterija koje često sadrže olovo ili kadmijum, Li-ion baterije sadrže manje toksičnih metala i stoga se smatraju ekološki prihvatljivim. Međutim, ogromna količina istrošenih Li-ion baterija, koje će se morati odlagati kao istrošene baterije iz električnih automobila, predstavlja problem otpada. Stoga je neophodna zatvorena petlja za reciklažu Li-ion baterija. Sa ekonomske tačke gledišta, metalni elementi kao što su gvožđe, bakar, nikl, kobalt i litijum mogu se povratiti i ponovo koristiti u proizvodnji novih baterija. Recikliranje bi moglo spriječiti i budući nedostatak.
Iako na tržište dolaze baterije s većim opterećenjem nikla, nije moguće proizvoditi baterije bez kobalta. Veći sadržaj nikla ima svoju cijenu: sa povećanim sadržajem nikla, smanjuje se stabilnost baterije, a time se smanjuje njen vijek trajanja i sposobnost brzog punjenja.

Rastuća potražnja za Li-ion baterijama. Izvor: Deutsche Bank

Rastuća potražnja za Li-ion baterijama zahtijeva povećanje kapaciteta za reciklažu otpadnih baterija.

Proces reciklaže

Baterije električnih vozila kao što je Tesla Roadster imaju približni vijek trajanja od 10 godina.
Recikliranje istrošenih Li-ion baterija je zahtjevan proces jer su uključeni visoki napon i opasne hemikalije, što nosi rizik od toplotnog bijega, električnog udara i emisije opasnih tvari.
Da bi se uspostavila zatvorena petlja recikliranja, svaka hemijska veza i svi elementi moraju biti razdvojeni na svoje pojedinačne frakcije. Međutim, energija potrebna za takvu zatvorenu petlju recikliranja je veoma skupa. Najvredniji materijali za oporavak su metali kao što su Ni, Co, Cu, Li, itd. budući da skupa eksploatacija i visoke tržišne cijene metalnih komponenti čine reciklažu ekonomski atraktivnom.
Proces reciklaže Li-ion baterija počinje demontažom i pražnjenjem baterija. Prije otvaranja baterije potrebna je pasivizacija kako bi se deaktivirale kemikalije u bateriji. Pasivacija se može postići kriogenim zamrzavanjem ili kontroliranom oksidacijom. Ovisno o veličini baterije, baterije se mogu rastaviti i rastaviti do ćelije. Nakon rastavljanja i drobljenja, komponente se izoluju na nekoliko metoda (npr. prosijavanje, prosijavanje, ručno branje, magnetno, mokro i balističko odvajanje) kako bi se uklonila kućišta ćelija, aluminijum, bakar i plastika iz praha elektrode. Odvajanje materijala elektroda je neophodno za nizvodne procese, npr. hidrometalurški tretman.
piroliza
Za pirolitičku obradu, usitnjene baterije se tope u peći u koju se dodaje krečnjak kao sredstvo za formiranje šljake.

Hidrotermalni procesi
Hidrometalurška obrada se zasniva na kiselim reakcijama kako bi se soli istaložile kao metali. Tipični hidrometalurški procesi uključuju ispiranje, taloženje, ionsku izmjenu, ekstrakciju rastvaračem i elektrolizu vodenih otopina.
Prednost hidrotermalne obrade je visok prinos izvlačenja +95% Ni i Co kao soli, +90% Li se može istaložiti, a ostatak se može dobiti do +80%.

Posebno je kobalt kritična komponenta u katodama litijum-jonskih baterija za aplikacije visoke energije i snage.
Sadašnji hibridni automobili kao što je Toyota Prius koriste nikl-metal hidridne baterije, koje se rastavljaju, prazne i recikliraju 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.

Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrasonikatore visokih performansi.

Snažna sonikacija od laboratorijske i stočne do industrijske proizvodnje.

Biće nam drago da razgovaramo o vašem procesu.

Let's get in contact.