Ultrazvuk pro recyklaci lithium-iontových baterií
- Lithium-iontové baterie používané v elektrických automobilech právě přicházejí na masový trh a spolu s nimi musí být vyvinuty kapacity pro recyklaci.
- Ultrazvukové vylupování je efektivní a šetrná k životnímu prostředí, která umožňuje regeneraci kovů, jako jsou Li, Mg, Co, Ni atd., Z použitých lithium-iontových baterií.
- Hielscher průmyslové ultrazvukové systémy pro aplikace loužení jsou spolehlivé a robustní a lze je snadno integrovat do stávajících recyklačních zařízení.
Recyklace lithium-iontových baterií
Lithium-iontové baterie se široce používají v elektrických vozidlech (EV), přenosných a mobilních telefonech. To znamená, že vybité lithium-iontové baterie jsou současným problémem v oblasti nakládání s odpady a recyklace. Baterie jsou významným nákladným řidičem pro systémy pro likvidaci a jsou také drahé. Ekologické a ekonomické aspekty se nalétnou na uzavřenou recyklační smyčku, protože odpad z baterií obsahuje hodnotné materiály a pomáhá snižovat uhlíkové stopy po výrobě lithium-iontových akumulátorů.
Recyklace lithium-iontových baterií narůstá na prosperující průmyslové odvětví, aby byla zajištěna budoucí dostupnost kovů vzácných zemin a dalších částí akumulátorů a aby se snížily environmentální náklady těžby.
Průmyslové ultrazvukové vyluhování
Procesy recyklace baterií s oxidem lithným a oxidem kobaltu (např. Z notebooků, smartphonů atd.), Jakož i komplexních lithium-nikl-mangan-kobaltových baterií (např. Z elektrických vozidel) mohou být aplikovány ultrazvukovým louhem a extrakcí kovů.
Vysoce výkonný ultrazvuk je dobře známý svou schopností zpracovávat chemické kapaliny a suspenze, aby se zlepšil přenos hmoty a iniciovaly chemické reakce.
Intenzivní účinky ultrazvukového výkonu jsou založeny na fenoménu akustické kavitace. Spojením ultrazvuku s vysokým výkonem do kapalin / kalů generují střídavé nízkotlaké a vysokotlaké vlny v kapalinách malé vakuové bubliny. Malé vakuové dutiny rostou v různých nízkotlakých / vysokotlakých cyklech až do okamžiku, kdy implodí násilně. Sbalící se vakuové bubliny mohou být považovány za mikroreaktory, u kterých mohou být teploty až 5000K, tlaky až do 1000atm a rychlosti ohřevu a chlazení vyšší než 10-10 nastat. Dále jsou vytvářeny silné hydrodynamické smykové síly a proudové kapaliny s rychlostí až 280 m / s. Tyto extrémní podmínky akustické kavitace vytvářejí výjimečné fyzikální a chemické podmínky v jinak studených kapalinách a vytvářejí prospěšné prostředí pro chemické reakce (Sonochemie).
48kW ultrazvukový procesor
pro náročné aplikace, jako je vyluhování kovů
Ultrazvukové vyluhování kovů z odpadu z vybitých baterií.
Velkou výhodou ultrazvukového loužení a rekuperace kovu je přesná kontrola parametrů procesu, jako je amplituda, tlak a teplota. Tyto parametry umožňují upravit reakční podmínky přesně na procesní médium a cílový výstup. Ultrazvukové vyluhování navíc odstraňuje z podkladu i nejmenší kovové částice, při zachování mikrostruktur. Vyšší zotavení kovu je způsobeno ultrazvukovým vytvářením vysoce reaktivních povrchů, zvýšením reakčních rychlostí a zlepšením přepravy hmoty. Sonication procesy mohou být optimalizovány ovlivněním každého parametru a jsou proto nejen velmi efektivní, ale i vysoce energeticky účinné.
Přesné ovládání parametrů a energetická účinnost dělají ultrazvukové vylupování příznivé a excelentní techniky – zvláště ve srovnání se složitými kyselými louženími a chelačními technikami.
Ultrazvuková regenerace LiCoO2 z použitých lithium-iontových baterií
Ultrazvuk pomáhá při redukčním vyluhování a chemických sráženích, které se používají k získání Li jako Li2CO3 a Co jako Co (OH)2 z odpadních lithium-iontových baterií.
Zhang et al. (2014) zprávu o úspěšném využití LiCoO2 pomocí ultrazvukového reaktoru. aby se připravilo výchozí roztok 600 ml, umístili 10 g neplatné LiCoO2 prášku v kádince a přidá se 2,0 mol / l roztoku LiOH, který byl smíchán.
Směs se nalije do ultrazvukového ozáření a začne se míchací zařízení, míchací zařízení se umístí do vnitřku reakční nádoby. Byl ohřát na 120 ° C a potom ultrazvukový přístroj byl nastaven na 800 W a ultrazvukový režim působení byl nastaven na pulzní pracovní cykly po dobu 5 sekund. ON / 2sec. VYPNUTO. Ultrazvukové ozařování bylo aplikováno po dobu 6 hodin a poté byla reakční směs ochlazena na pokojovou teplotu. Pevný zbytek se několikrát promyje deionizovanou vodou a suší při 80 ° C až do konstantní hmotnosti. Získaný vzorek byl odebrán pro následné testování a výrobu baterií. Kapacita nabíječe v prvním cyklu je 134,2mAh / g a výstupní kapacita je 133,5mAh / g. První účinnost nabíjení a vybíjení byla 99,5%. Po 40 cyklech je vypouštěcí kapacita stále 132,9mAh / g. (Zhang et al., 2014)
Použité krystaly LiCoO2 před (a) a po (b) ultrazvukovým ošetřením při 120◦C po dobu 6 hodin. zdroj: Zhang et al. 2014
Ultrazvuková loužení s organickými kyselinami, jako je kyselina citronová, je nejen efektivní, ale i šetrná k životnímu prostředí. Výzkum zjistil, že vyluhování Co a Li je účinnější u kyseliny citronové než u anorganických kyselin H2TAK4 a HCl. Více než 96% CO a téměř 100% Li bylo získáno z vynaložených lithium-iontových baterií. Skutečnost, že organické kyseliny, jako je kyselina citronová a kyselina octová, jsou levné a biologicky odbouratelné, přispívá k dalším ekonomickým a environmentálním výhodám sonikace.
Vysoce výkonná průmyslová ultrazvuk
Hielscher Ultrasonics je váš dlouholetý dodavatel vysoce účinných a spolehlivých ultrazvukových systémů, které dodávají potřebnou sílu k vylučování kovů z odpadních materiálů. Za účelem opětovného zpracování lithium-iontových baterií extrakcí kovů, jako je kobalt, lithium, nikl a mangan, jsou nezbytné výkonné a robustní ultrazvukové systémy. Hielscher Ultrasonics’ průmyslové jednotky, jako je UIP4000hdT (4 kW), UIP10000 (10 kW) a UIP16000 (16kW) jsou nejmocnější a robustnější vysoce výkonné ultrazvukové systémy na trhu. Všechny naše průmyslové jednotky mohou být nepřetržitě provozovány s velmi vysokými amplitudami až do 200μm při provozu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici vlastní ultrazvukové sonotody. Robustnost ultrazvukových zařízení firmy Hielscher umožňuje nepřetržitý provoz v náročných a náročných prostředích. Hielscher dodává speciální sonotrody a reaktory pro vysoké teploty, tlaky a korozní kapaliny. Díky tomu jsou naše průmyslové ultrazvukové přístroje nejvhodnější pro extractive metalurgické techniky, např. Hydrometalurgické ošetření.
Níže uvedená tabulka vám dává informaci o přibližné zpracovatelské kapacity našich ultrasonicators:
| Hromadná dávka | průtok | Doporučené Devices |
|---|---|---|
| 00,1 až 20L | 00,2 až 4 litry / min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10 l / min | UIP4000 |
| na | 10 až 100L / min | UIP16000 |
| na | větší | hrozen UIP16000 |
Fakta Worth Knowing
Lithium-iontové baterie
Lithium-iontové baterie (LIB) jsou kolektivní termíny pro (dobíjecí) baterie, které nabízejí vysokou hustotu energie a jsou často integrovány do spotřební elektroniky, jako jsou elektronická auta, hybridní automobily, notebooky, mobilní telefony, iPody atd. jiné varianty nabíjecích baterií s podobnou velikostí a kapacitou jsou LIB výrazně lehčí.
Na rozdíl od jednorázové lithiové primární baterie používá LIB jako elektrodu interkalovanou sloučeninu lithia namísto kovového lithia. Hlavními složkami lithium-iontové baterie jsou její elektrody – anoda a katoda – a elektrolytem.
Většina článků sdílí společné komponenty z hlediska elektrolytu, separátoru, fólií a krytu. Hlavní rozdíl mezi buněčnými technologiemi je materiál využívaný jako “aktivní materiály” jako je katoda a anoda. Grafit je nejčastěji používaný materiál jako anoda, zatímco katoda je vyrobena z vrstev LiMO2 (M = Mn, Co a Ni), spinel LiMn2Ó4, nebo olivin LiFePO4. Elektrolytové organické kapalné elektrolyty (např. LiPF6 sůl rozpuštěné ve směsi organických rozpouštědel, jako je ethylenkarbonát (EC), dimethylkarbonát (DMC), diethylkarbonát (DEC), ethylmethylkarbonát (EMC) atd. iontového pohybu.
V závislosti na pozitivní (katodové) a záporné (anodové) elektrodové materiály se hustota energie a napětí LIB liší.
Při použití v elektrických vozidlech se používá často elektrická vozidla (EVB) nebo trakční baterie. Takové trakční baterie se používají u vysokozdvižných vozíků, elektrických golfových vozíků, podlahových praček, elektrických motocyklů, elektrických automobilů, nákladních automobilů, dodávkových vozidel a dalších elektrických vozidel.
Recyklace kovů z použitých lithium-iontových baterií
Ve srovnání s jinými typy baterií, které často obsahují olovo nebo kadmium, obsahují lithium-iontové baterie méně toxických kovů a jsou proto považovány za ekologické. Obrovské množství vyčerpaných lithium-iontových baterií, které budou muset být likvidovány jako použité baterie z elektrických automobilů, však představují problém s odpady. Proto je zapotřebí uzavřená recyklační smyčka lithium-iontových baterií. Z ekonomického hlediska mohou být kovové prvky, jako je železo, měď, nikl, kobalt a lithium, získány a znovu použity při výrobě nových baterií. Recyklace by mohla zabránit i budoucímu nedostatku.
Přestože baterie s vyššími zatíženími niklu přicházejí na trh, není možné vyrábět baterie bez kobaltu. Vyšší obsah niklu přichází s cenou: se zvýšeným obsahem niklu se snižuje stabilita baterie a tím se zkracuje životnost a schopnost rychlého nabíjení.
Rostoucí poptávka po lithium-iontových bateriích vyžaduje zvýšené recyklační kapacity pro odpadní baterie.
Recyklační proces
Baterie elektrických vozidel, jako je Tesla Roadster, mají přibližnou životnost 10 let.
Recyklace vyčerpaných lithium-iontových baterií je náročný proces, jelikož se jedná o vysoké napětí a nebezpečné chemické látky, které přicházejí s rizikem tepelných úniků, úrazu elektrickým proudem a emise nebezpečných látek.
Aby byla vytvořena recyklace uzavřené smyčky, musí být každá chemická vazba a všechny prvky rozdělena na jednotlivé frakce. Energie potřebná pro takovou recyklaci uzavřené smyčky je však velmi drahá. Nejcennějšími materiály pro využití jsou kovy, jako jsou Ni, Co, Cu, Li atd., Protože nákladná těžba a vysoké tržní ceny kovových součástí činí recyklaci ekonomicky atraktivní.
Proces recyklace lithium-iontových baterií začíná demontáží a vybíjením baterií. Před otevřením akumulátoru je nutná pasivace pro deaktivaci chemikálií v baterii. Pasivaci lze dosáhnout kryogenním zmrazením nebo řízenou oxidací. V závislosti na velikosti baterie lze baterie demontovat a demontovat dolů do buňky. Po demontáži a rozdrcení jsou komponenty izolovány několika způsoby (např. Třídění, prosévání, ruční vytahování, magnetické, mokré a balistické oddělení), aby se z prášku elektrody odstranily buněčné obaly, hliník, měď a plasty. Oddělení elektrodových materiálů je nezbytné pro následné procesy, např. Hydrometalurgické zpracování.
Pyrolýza
Při pyrolytickém zpracování jsou drcené baterie taveny v peci, kde se přidává vápenec jako troska.
Hydrotermální procesy
Hydrometalurgické zpracování je založeno na kyselých reakcích, aby se srážejí soli jako kovy. Typické hydrometalurgické postupy zahrnují loužení, srážení, výměnu iontů, extrakci rozpouštědlem a elektrolýzu vodných roztoků.
Výhodou hydrotermálního zpracování je vysoký výtěžek + 95% Ni a Co jako soli, + 90% Li může být vysráženo a zbytek může být získán až do + 80%.
Zvláště kobalt je kritickým prvkem v katodích lithium-iontových baterií pro aplikace s vysokou energií a energií.
Současné hybridní automobily, jako je Toyota Prius, používají nikl-metalhydridové baterie, které jsou rozebírány, vypouštěny a recyklovány podobně jako Li-iontové baterie.
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.
Výkonná sonikace od laboratoře a laboratoře až po průmyslovou výrobu.