Ultrazvuk za recikliranje litij-ionskih baterija

• Litij-ionske baterije koje se koriste u električnim automobilima tek sada ulaze na masovno tržište, a s tim se moraju razviti i kapaciteti za recikliranje.
• Ultrazvučno luženje je efikasna, ekološki prihvatljiva tehnika za dobivanje metala kao što su Li, Mg, Co, Ni itd. iz istrošenih Li-ionskih baterija.
• Hielscher industrijski ultrazvučni sistemi za primjenu u luženju pouzdani su i robusni te se mogu jednostavno integrirati u postojeća postrojenja za recikliranje.

Recikliranje litij-ionskih baterija

Litij-ionske baterije široko se koriste u električnim vozilima (EV), laptopima i mobilnim telefonima. To znači da su istrošene litij-ionske baterije aktuelan izazov u pogledu upravljanja otpadom i recikliranja. Baterije su glavni faktor troškova električnih vozila, a i njihovo zbrinjavanje je skupo. Ekološki i ekonomski aspekti idu u prilog zatvorenom ciklusu recikliranja jer otpad od baterija sadrži vrijedne materijale i pomaže u smanjenju ugljičnog otiska proizvodnje litij-ionskih baterija.
Recikliranje Li-ionskih baterija razvija se u uspješan industrijski sektor kako bi se osigurala buduća dostupnost metala rijetkih zemalja i drugih komponenti baterija te smanjili ekološki troškovi rudarenja.

Pirometalurško i hidrometalurško recikliranje naspram ultrazvučnog recikliranja baterija

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

Nedostaci konvencionalnog recikliranja baterija

Tradicionalne metode koje se koriste za recikliranje litij-ionskih baterija uključuju pirometalurške i hidrometalurške procese.

Pirometalurške metode uključuju visokotemperaturne procese kao što su topljenje ili spaljivanje. Baterije se izlažu ekstremnoj toplini, zbog čega organske komponente izgaraju, a preostale metalne komponente se tope i odvajaju. Međutim, ove metode imaju određene nedostatke:

• Utjecaj na okoliš: Pirometalurški procesi u atmosferu ispuštaju štetne emisije i zagađivače, doprinoseći zagađenju zraka i potencijalno uzrokujući zdravstvene rizike.
• Gubitak materijala: Visokotemperaturni procesi mogu dovesti do gubitka vrijednih materijala i metala zbog termičke razgradnje, čime se smanjuje ukupna stopa iskorištenja.
• Energetska intenzivnost: Ove metode obično zahtijevaju značajan unos energije, što povećava operativne troškove i ekološki otisak.

 
Hidrometalurške metode uključuju hemijsko luženje radi otapanja komponenti baterije i izdvajanja vrijednih metala. Iako su ekološki prihvatljivije od pirometalurških metoda, hidrometalurgija ima vlastite nedostatke:

• Upotreba hemikalija: Za luženje su potrebne jake kiseline ili druge korozivne hemikalije, što izaziva zabrinutost u pogledu rukovanja hemikalijama, upravljanja otpadom i potencijalne kontaminacije okoliša.
• Izazovi selektivnosti: Postizanje selektivnog luženja željenih metala može biti teško, što dovodi do nižih stopa iskorištenja i potencijalnog gubitka vrijednih resursa.

 

Prednosti ultrazvučnog luženja baterija u odnosu na konvencionalne tehnike

U poređenju i s pirometalurškim i s hidrometalurškim tehnikama recikliranja, tehnika ultrazvučnog recikliranja baterija nadmašuje ih zahvaljujući raznim prednostima:

1. Povećana efikasnost: Ultrazvučna obrada (sonikacija) može ubrzati razgradnju materijala baterije, što rezultira kraćim vremenom obrade i većom ukupnom efikasnošću.
2. Poboljšane stope iskorištenja: Kontrolirana primjena ultrazvučne kavitacije pojačava razgradnju komponenti baterije, čime se povećavaju stope iskorištenja vrijednih metala.
3. Ekološka prihvatljivost: Ultrazvučno recikliranje smanjuje oslanjanje na visoke temperature i agresivne hemikalije, minimizirajući utjecaj na okoliš i smanjujući emisije zagađivača.
4. Selektivno luženje: Kontrolirana primjena ultrazvuka omogućava ciljano razaranje određenih komponenti unutar baterije, njihovo efikasno odvajanje. Budući da se različita recikliranja vrijedna jedinjenja baterije uklanjaju i otapaju pri određenim ultrazvučnim intenzitetima, optimizirani parametri obrade omogućavaju selektivno luženje pojedinih materijala. To olakšava efikasno odvajanje vrijednih metala i materijala.
5. Smanjena potrošnja energije: U poređenju i s hidrometalurškim, a naročito s pirometalurškim metodama, ultrazvučno recikliranje je općenito energetski efikasnije, što dovodi do nižih operativnih troškova i smanjenog ugljičnog otiska.
6. Skalabilnost i fleksibilnost: Ultrazvučni sistemi se mogu jednostavno povećavati ili smanjivati kako bi odgovarali različitim veličinama baterija i proizvodnim kapacitetima. Osim toga, ultrazvučni uređaji za recikliranje baterija mogu se lako integrirati u već postojeća postrojenja za recikliranje baterija. Budući da su lako dostupni u različitim rasponima snage, uz odgovarajuću opremu kao što su ultrazvučne sonde i reaktori s protočnom ćelijom, ultrazvučni uređaji mogu obrađivati komponente baterija različitih veličina i različitih proizvodnih kapaciteta, pružajući skalabilnost i prilagodljivost u procesima recikliranja.
7. Sinergijska integracija: Ultrazvučno luženje može se integrirati u postojeće hidrometalurške linije za recikliranje baterija kako bi se intenziviralo i poboljšalo hidrometalurško luženje vrijednih metala i materijala iz istrošenih Li-ionskih baterija.

Sve u svemu, ultrazvučno recikliranje baterija pokazuje potencijal kao ekološki prihvatljivija, efikasnija i selektivnija metoda u poređenju s tradicionalnim pirometalurškim i hidrometalurškim pristupima.

Industrijsko ultrazvučno luženje za dobivanje metala iz istrošenih baterija

Ultrazvučno luženje i ekstrakcija metala mogu se primijeniti u procesima recikliranja litij-kobalt-oksidnih baterija (npr. iz laptopa, pametnih telefona itd.) kao i složenih litij-nikl-mangan-kobalt baterija (npr. iz električnih vozila).
Ultrazvuk visoke snage poznat je po svojoj sposobnosti obrade hemijskih tečnosti i suspenzija radi poboljšanja prijenosa mase i pokretanja hemijskih reakcija.
Intenzivni efekti ultrazvučne obrade velike snage temelje se na pojavi akustične kavitacije. Uvođenjem ultrazvuka velike snage u tečnosti / suspenzije, naizmjenični valovi niskog i visokog pritiska u tečnostima stvaraju sitne vakuumske mjehuriće. Sitne vakuumske šupljine rastu tokom različitih ciklusa niskog / visokog pritiska sve dok ne implodiraju silovito. Mjehurići vakuuma koji kolabiraju mogu se smatrati mikroreaktorima u kojima se temperature do 5000K, pritisci do 1000atm te brzine zagrijavanja i hlađenja iznad 10^-10 javljaju. Nadalje, generiraju se jake hidrodinamičke smične sile i mlazevi tečnosti brzine do 280m/s. Ovi ekstremni uslovi akustične kavitacije stvaraju izvanredne fizičke i hemijske uslove u inače hladnim tečnostima i stvaraju povoljno okruženje za hemijske reakcije (tzv. sonokemija).

Ultrazvučno generirana kavitacija može izazvati termolizu otopljenih tvari kao i nastanak visokoreaktivnih radikala i reagensa, kao što su slobodni radikali, hidroksidni ioni (•OH,) hidronij (H₃O+) itd., koji u tečnosti stvaraju izvanredne reaktivne uslove tako da se brzina reakcije znatno povećava. Čvrste čestice ubrzavaju se mlazevima tečnosti i melju se međučestičnim sudarima i abrazijom, čime se povećava aktivna površina i time prijenos mase.
Velika prednost ultrazvučnog luženja i dobivanja metala je precizna kontrola nad parametrima procesa kao što su amplituda, pritisak i temperatura. Ovi parametri omogućavaju da se uslovi reakcije tačno prilagode procesnom mediju i ciljanom rezultatu. Nadalje, ultrazvučno luženje uklanja čak i najsitnije čestice metala sa supstrata, uz očuvanje mikrostruktura. Poboljšano dobivanje metala posljedica je ultrazvučnog stvaranja visokoreaktivnih površina, povećanih brzina reakcije i poboljšanog prijenosa mase. Procesi ultrazvučne obrade (sonikacije) mogu se optimizirati utjecanjem na svaki parametar te su stoga ne samo vrlo efikasni nego i vrlo energetski efikasni.
Zahvaljujući preciznoj kontroli parametara i energetskoj efikasnosti, ultrazvučno luženje je povoljna i odlična tehnika – naročito u poređenju sa složenim tehnikama luženja kiselinama i helacije.

Ultrazvučno dobivanje LiCoO₂ iz istrošenih litij-ionskih baterija

Ultrazvučna obrada potpomaže reduktivno luženje i hemijsko taloženje, koji se koriste za dobivanje Li kao Li₂CO₃ i Co kao Co(OH)₂ iz otpadnih litij-ionskih baterija.
Zhang et al. (2014) navode uspješno dobivanje LiCoO₂ pomoću ultrazvučnog reaktora. Da bi pripremili početnu otopinu od 600mL, stavili su 10g neupotrebljivog LiCoO₂ praha u čašu i dodali otopinu LiOH koncentracije 2,0mol/L, koje su pomiješane.
Smjesa je sipana u ultrazvučno zračenje i pokrenut je uređaj za miješanje, koji je bio postavljen unutar reakcione posude. Zagrijana je na 120◦C, a zatim je ultrazvučni uređaj podešen na 800W, a ultrazvučni način djelovanja podešen je na pulsne radne cikluse od 5 sek. UKLJ. / 2sek. ISKLJ. Ultrazvučno zračenje primjenjivano je 6h, nakon čega je reakciona smjesa ohlađena na sobnu temperaturu. Čvrsti ostatak je nekoliko puta ispran dejoniziranom vodom i sušen na 80◦C do konstantne mase. Dobiveni uzorak prikupljen je za naknadna ispitivanja i proizvodnju baterija. Kapacitet punjenja u prvom ciklusu iznosi 134,2mAh/g, a kapacitet pražnjenja 133,5mAh/g. Efikasnost prvog punjenja i pražnjenja iznosila je 99,5%. Nakon 40 ciklusa kapacitet pražnjenja i dalje iznosi 132,9mAh/g. (Zhang et al. 2014)

Ultrazvučno luženje organskim kiselinama kao što je limunska kiselina nije samo efikasno nego i ekološki prihvatljivo. Istraživanja su pokazala da je luženje Co i Li efikasnije limunskom kiselinom nego anorganskim kiselinama H2SO4 i HCl. Iz istrošenih litij-ionskih baterija dobiveno je više od 96% Co i gotovo 100% Li. Činjenica da su organske kiseline kao što su limunska i octena kiselina jeftine i biorazgradive doprinosi dodatnim ekonomskim i ekološkim prednostima ultrazvučne obrade.

Industrijski ultrazvuk visoke snage za luženje metala iz istrošenih baterija

Hielscher Ultrasonics je vaš dugogodišnje iskusan dobavljač visoko efikasnih i pouzdanih ultrazvučnih sistema koji isporučuju potrebnu snagu za luženje metala iz otpadnih materijala. Da bi se litij-ionske baterije ponovo preradile izdvajanjem metala kao što su kobalt, litij, 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) najsnažniji su i najrobusniji visokoučinkoviti ultrazvučni sistemi na tržištu. Sve naše industrijske jedinice mogu raditi kontinuirano s vrlo visokim amplitudama do 200µm u radu 24/7. Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Robusnost Hielscher ultrazvučne opreme omogućava rad 24/7 pod velikim opterećenjem i u zahtjevnim okruženjima. Hielscher isporučuje i posebne sonotrode i reaktore za visoke temperature, pritiske i korozivne tečnosti. Zbog toga su naši industrijski ultrazvučni uređaji najpogodniji za tehnike ekstraktivne metalurgije, npr. hidrometalurške obrade.

Tabela u nastavku daje vam orijentaciju o približnom kapacitetu obrade naših ultrazvučnih uređaja:

---

---

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.