Ultrazvuk pro recyklaci lithium-iontových baterií

• Lithium-iontové baterie používané v elektromobilech se teprve nyní dostávají na masový trh a spolu s tím je třeba rozvíjet recyklační kapacity.
• Ultrazvukové loužení je účinná technika šetrná k životnímu prostředí pro získávání kovů, jako jsou Li, Mg, Co, Ni atd., Z použitých lithium-iontových baterií.
• Průmyslové ultrazvukové systémy Hielscher pro loužení jsou spolehlivé a robustní a lze je snadno integrovat do stávajících recyklačních zařízení.

Recyklace lithium-iontových baterií

Lithium-iontové baterie jsou široce používány v elektrických vozidlech (EV), noteboocích a mobilních telefonech. To znamená, že použité lithium-iontové baterie jsou aktuální výzvou v oblasti nakládání s odpady a recyklace. Baterie jsou hlavním nákladovým faktorem pro elektromobily a jejich likvidace je také drahá. Environmentální a ekonomické aspekty tlačí na uzavřenou recyklační smyčku, protože odpad z baterií obsahuje cenné materiály a pomáhá snižovat uhlíkovou stopu výroby lithium-iontových baterií.
Recyklace lithium-iontových baterií se stává prosperujícím průmyslovým odvětvím, aby se zajistila budoucí dostupnost kovů vzácných zemin a dalších součástí baterií a snížily se environmentální náklady na těžbu.

Pyrometalurgická a hydrometalurgická recyklace vs ultrazvuková recyklace baterií

Níže porovnáváme konvenční metody pyrometalurgických a hydrometalurgických procesů s technikou ultrazvukového loužení s ohledem na výhody a nevýhody.

Nevýhody konvenční recyklace baterií

Mezi tradiční metody používané pro recyklaci lithium-iontových baterií patří pyrometalurgické a hydrometalurgické procesy.
 
Pyrometalurgické metody zahrnují vysokoteplotní procesy, jako je tavení nebo spalování. Baterie jsou vystaveny extrémnímu teplu, které způsobuje spálení organických složek a zbývající kovové součásti se roztaví a oddělí. Tyto metody však mají některé nevýhody:

• Dopad na životní prostředí: Pyrometalurgické procesy uvolňují do atmosféry škodlivé emise a znečišťující látky, které přispívají ke znečištění ovzduší a potenciálně ohrožují zdraví.
• Úbytek materiálu: Vysokoteplotní procesy mohou vést ke ztrátě cenných materiálů a kovů v důsledku tepelné degradace, což snižuje celkovou míru výtěžnosti.
• Energeticky náročné: Tyto metody obvykle vyžadují značný vstup energie, což zvyšuje provozní náklady a ekologickou stopu.

 
Hydrometalurgické metody zahrnují chemické loužení, aby se rozpustily součásti baterie a extrahovaly se cenné kovy. I když je hydrometalurgie šetrnější k životnímu prostředí než pyrometalurgické metody, má své nevýhody:

• Chemické použití: K vyluhování jsou zapotřebí silné kyseliny nebo jiné korozivní chemikálie, což vyvolává obavy z manipulace s chemikáliemi, nakládání s odpady a potenciální kontaminace životního prostředí.
• Problémy se selektivitou: Dosažení selektivního loužení požadovaných kovů může být obtížné, což vede k nižší míře výtěžnosti a potenciální ztrátě cenných zdrojů.

 

Výhody ultrazvukového vyluhování baterií oproti konvenčním technikám

Ve srovnání s pyrometalurgickými i hydrometalurgickými recyklačními technikami překonává ultrazvuková technika recyklace baterií díky různým výhodám:

1. Zvýšená efektivita: Ultrazvuková sonikace může urychlit rozpad materiálů baterie, což má za následek kratší dobu zpracování a vyšší celkovou účinnost.
2. Vylepšená míra obnovy: Řízená aplikace ultrazvukové kavitace zvyšuje rozpad součástí baterie a zvyšuje míru výtěžnosti cenných kovů.
3. Šetrné: Ultrazvuková recyklace snižuje závislost na vysokých teplotách a agresivních chemikáliích, minimalizuje dopad na životní prostředí a snižuje emise znečišťujících látek.
4. Selektivní vyluhování: Řízená aplikace ultrazvuku umožňuje cílené narušení konkrétních součástí v baterii a jejich efektivní oddělení. Vzhledem k tomu, že různé recyklovatelné sloučeniny baterií jsou odstraňovány a rozpouštěny při specifických ultrazvukových intenzitách, optimalizované parametry zpracování umožňují selektivní vyluhování jednotlivých materiálů. To usnadňuje efektivní separaci cenných kovů a materiálů.
5. Snížená spotřeba energie: Ve srovnání s hydrometalurgickými a zejména pyrometalurgickými metodami je ultrazvuková recyklace obecně energeticky účinnější, což vede k nižším provozním nákladům a snížené uhlíkové stopě.
6. Škálovatelnost a flexibilita: Ultrazvukové systémy lze snadno škálovat nahoru nebo dolů tak, aby vyhovovaly různým velikostem baterií a výrobním kapacitám. Kromě toho lze ultrasonicators pro recyklaci baterií snadno integrovat do již existujících zařízení na recyklaci baterií. Snadno dostupné v různých výkonových měřítkách a odpovídajícím příslušenství, jako jsou ultrazvukové sondy a reaktory s průtokovými články, mohou ultrasonicators manipulovat s bateriemi různých velikostí a výrobních kapacit, což poskytuje škálovatelnost a přizpůsobivost v recyklačních procesech.
7. Synergická integrace: Ultrazvukové loužení lze integrovat do stávajících linek na recyklaci hydrometalurgických baterií za účelem zintenzivnění a zlepšení hydrometalurgického loužení cenných kovů a materiálů z použitých lithium-iontových baterií.

Celkově se ultrazvuková recyklace baterií jeví jako slibnější ekologičtější, efektivnější a selektivnější metoda ve srovnání s tradičními pyrometalurgickými a hydrometalurgickými přístupy.

 

Průmyslové ultrazvukové louhování pro získávání kovů z použitých baterií

Ultrazvukové loužení a extrakce kovů lze použít v procesech recyklace lithium-kobaltnatých baterií (např. z notebooků, chytrých telefonů atd.) i složitých lithium-nikl-mangan-kobaltových baterií (např. z elektrických vozidel).
Vysoce výkonný ultrazvuk je dobře známý pro svou schopnost zpracovávat chemické kapaliny a suspenze za účelem zlepšení přenosu hmoty a zahájení chemických reakcí.
Intenzivní účinky ultrazvuku jsou založeny na jevu akustické kavitace. Spojením vysoce výkonného ultrazvuku do kapalin / suspenzí vytvářejí střídající se nízkotlaké a vysokotlaké vlny v kapalinách malé vakuové bubliny. Malé vakuové dutiny rostou v různých nízkotlakých / vysokotlakých cyklech, dokud se prudce nerozpadnou. Hroutící se vakuové bubliny lze považovat za mikroreaktory, ve kterých jsou teploty až 5000 K, tlaky až 1000 atm a rychlosti ohřevu a chlazení vyšší než 10^-10 nastat. Kromě toho vznikají silné hydrodynamické smykové síly a kapalinové trysky s rychlostí až 280 m/s. Tyto extrémní podmínky akustické kavitace vytvářejí mimořádné fyzikální a chemické podmínky v jinak studených kapalinách a vytvářejí příznivé prostředí pro chemické reakce (tzv. Sonochemie).

Ultrazvukem generovaná kavitace může vyvolat termolýzu rozpuštěných látek, stejně jako tvorbu vysoce reaktivních radikálů a činidel, jako jsou volné radikály, hydroxidové ionty (•OH,), hydronium (H₃O+) atd., které poskytují mimořádné reaktivní podmínky v kapalině, takže reakční rychlost je výrazně zvýšena. Pevné látky, jako jsou částice, jsou urychlovány kapalinovými tryskami a jsou rozemlety mezidruhovou srážkou a abrazí, čímž se zvětšuje aktivní povrchová plocha a tím i přenos hmoty.
Velkou výhodou ultrazvukového loužení a získávání kovů je přesná kontrola parametrů procesu, jako je amplituda, tlak a teplota. Tyto parametry umožňují přesně přizpůsobit reakční podmínky procesnímu médiu a cílovému výstupu. Ultrazvukové loužení navíc odstraňuje ze substrátu i ty nejmenší kovové částice a zároveň zachovává mikrostruktury. Zvýšená výtěžnost kovu je způsobena ultrazvukovým vytvářením vysoce reaktivních povrchů, zvýšenými reakčními rychlostmi a zlepšeným transportem hmoty. Procesy sonikace mohou být optimalizovány ovlivněním každého parametru, a proto jsou nejen velmi účinné, ale také vysoce energeticky účinné.
Díky přesnému řízení parametrů a energetické účinnosti je ultrazvukové loužení příznivou a vynikající technikou – Zvláště ve srovnání s komplikovanými technikami loužení a chelatace kyseliny.

Ultrazvuková obnova LiCoO₂ z použitých lithium-iontových baterií

Ultrazvuku napomáhá redukčnímu vyluhování a chemickému srážení, které se používají k regeneraci Li jako Li₂Emise CO₃ a Co jako Co(OH)₂ z odpadních lithium-iontových baterií.
Zhang et al. (2014) informují o úspěšném zotavení LiCoO₂ pomocí ultrazvukového reaktoru. aby připravili výchozí roztok o objemu 600 ml, umístili 10 g neplatného LiCoO₂ prášek v kádince a přidal se 2,0 mol/l roztoku LiOH, které byly promíchány.
Směs se nalila do ultrazvukového ozařování a míchací zařízení se spustilo, míchací zařízení se umístilo do vnitřku reakční nádoby. Zahřál se na 120 °C a poté se Ultrazvukové zařízení byl nastaven na 800 W a ultrazvukový režim byl nastaven na pulzní pracovní cykly 5 sekund zapnuto / 2 sekundy vypnuto. Ultrazvukové ozařování bylo aplikováno po dobu 6 hodin a poté se reakční směs ochladila na pokojovou teplotu. Pevný zbytek byl několikrát promyt deionizovanou vodou a vysušen při 80 °C až do konstantní hmotnosti. Získaný vzorek byl odebrán pro následné testování a výrobu baterií. Kapacita nabíjení v prvním cyklu je 134,2 mAh/g a vybíjecí kapacita je 133,5 mAh/g. Účinnost prvního nabití a vybití byla 99,5 %. Po 40 cyklech je vybíjecí kapacita stále 132,9 mAh/g. (Zhang et al. 2014)
 

 
Ultrazvukové loužení organickými kyselinami, jako je kyselina citronová, je nejen účinné, ale také šetrné k životnímu prostředí. Výzkum zjistil, že vyluhování Co a Li je účinnější s kyselinou citronovou než s anorganickými kyselinami H2SO4 a HCl. Více než 96 % Co a téměř 100 % Li bylo získáno z použitých lithium-iontových baterií. Skutečnost, že organické kyseliny, jako je kyselina citronová a kyselina octová, jsou levné a biologicky odbouratelné, přispívá k dalším ekonomickým a ekologickým výhodám sonikace.

Vysoce výkonný průmyslový ultrazvuk pro vyluhování kovů z použitých baterií

Hielscher Ultrasonics je váš dlouholetý zkušený dodavatel vysoce účinných a spolehlivých ultrazvukových systémů, které dodávají potřebný výkon pro vyluhování kovů z odpadních materiálů. Aby bylo možné přepracovat lithium-iontové baterie extrakcí kovů, jako je kobalt, lithium, nikl a mangan, jsou nezbytné výkonné a robustní ultrazvukové systémy. Hielscher Ultrazvukové průmyslové jednotky, jako jsou UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) a UIP16000 (16kW) jsou nejvýkonnější a nejrobustnější vysoce výkonné ultrazvukové systémy na trhu. Všechny naše průmyslové jednotky mohou být nepřetržitě provozovány s velmi vysokými amplitudami až 200 μm v provozu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonotrody. Robustnost ultrazvukového zařízení Hielscher umožňuje provoz 24 hodin denně, 7 dní v týdnu v náročném provozu a v náročných prostředích. Hielscher dodává speciální sonotrody a reaktory také pro vysoké teploty, tlaky a korozivní kapaliny. Díky tomu jsou naše průmyslové ultrazvukové přístroje nejvhodnější pro techniky extrakční metalurgie, např. hydrometalurgické úpravy.

Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:

---

---

Literatura/Odkazy

• 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.