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 loužení aplikace 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.

Žádost o informace





Hielscher's ultrasonicators are reliable and robust systems for the leaching of metals.

48kW ultrazvukový procesor
pro náročné aplikace, jako je vyluhování kovů

Pyrometalurgická a hydrometalurgická recyklace vs ultrazvuková recyklace baterií

Níže porovnáváme konvenční metody pyrometalurgických a hydrometalurgických procesů s ultrazvukovou louhovací technikou s ohledem na výhody a nevýhody.

Nevýhody konvenční recyklace baterií

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

  • Dopad na životní prostředí: Pyrometalurgické procesy uvolňují škodlivé emise a znečišťující látky do ovzduší, přispívají ke znečištění ovzduší a potenciálně způsobují zdravotní rizika.
  • Ztráta 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 energetický vstup, což zvyšuje provozní náklady a ekologickou stopu.

 
Hydrometalurgické metody zahrnují chemické loužení k rozpuštění součástí baterie a extrakci cenných kovů. I když je šetrnější k životnímu prostředí než pyrometalurgické metody, hydrometalurgie má své vlastní nevýhody:

  • Použití chemikálií: Pro vyluhování jsou zapotřebí silné kyseliny nebo jiné korozivní chemikálie, což vyvolává obavy ohledně chemické manipulace, nakládání s odpady a potenciální kontaminace životního prostředí.
  • Výzvy selektivity: Dosažení selektivního loužení požadovaných kovů může být obtížné, což vede k nižší míře výtěžnosti a potenciální ztrátě cenných zdrojů.

 

Výhody vyluhování ultrazvukových baterií oproti konvenčním technikám

Ve srovnání s pyrometalurgickými a hydrometalurgickými recyklačními technikami je technika recyklace ultrazvukových baterií překonána kvůli různým výhodám:

  1. Zvýšená efektivita: Ultrazvuková sonikace může urychlit rozpad materiálů baterií, což má za následek kratší dobu zpracování a vyšší celkovou účinnost.
  2. Vylepšená míra výtěžnosti: Řízená aplikace ultrazvukové kavitace zvyšuje rozklad komponent baterií a zvyšuje míru zotavení cenných kovů.
  3. Šetrné: Ultrazvuková recyklace snižuje závislost na vysokých teplotách a drsných chemikáliích, minimalizuje dopad na životní prostředí a snižuje emise znečišťujících látek.
  4. Selektivní vyluhování: Řízená aplikace ultrazvuku umožňuje cílené narušení specifických komponent v baterii a jejich efektivní oddělení. Vzhledem k tomu, že různé recyklovatelné sloučeniny baterií jsou odstraněny rozpuštěny při specifických ultrazvukových intenzitách, optimalizované parametry zpracování umožňují selektivní loužení 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 zvětšit nebo snížit tak, aby vyhovovaly různým velikostem baterií a výrobním kapacitám. Navíc, ultrasonicators pro recyklaci baterií lze snadno integrovat do již existujících zařízení pro recyklaci baterií. Snadno dostupné na různých výkonových stupnicích a odpovídajícím příslušenství, jako jsou ultrazvukové sondy a reaktory průtokových buněk, ultrasonicators mohou zpracovávat komponenty baterií různých velikostí a výrobních kapacit, což poskytuje škálovatelnost a přizpůsobivost v recyklačních procesech.
  7. Synergická integrace: Ultrazvukové loužení může být integrováno do stávajících hydrometalurgických recyklačních linek baterií s cílem zintenzivnit a zlepšit hydrometalurgické loužení cenných kovů a materiálů z použitých lithium-iontových baterií.

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

 

Silná Ultrazvuková kavitace v Hielscher Cascats

Silná Ultrazvuková kavitace v Hielscher Cascats

 

Žádost o informace





Průmyslové ultrazvukové loužení pro regeneraci kovů z použitých baterií

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.
Průmyslový multi-sondový ultrazvukový reaktor pro regeneraci kovů z použitých lithium-iontových baterií. Ultarsonické loužení poskytuje vysoké výtěžnosti lithia, kobaltu, mědi, hliníku a niklu.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. Kromě toho jsou generovány silné hydrodynamické smykové síly a kapalné 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).

Ultrazvukové vyluhování při recyklaci vyčerpaných lithium-iontových baterií. (Klikni pro zvětšení!)

Ultrazvukové vyluhování kovů z odpadu z vybitých baterií.

Ultrazvukově generovaná kavitace může indukovat termolýzu rozpuštěných látek, stejně jako tvorbu vysoce reaktivních radikálů a činidel, jako jsou volné radikály, hydroxidové ionty (• OH), hydronium (H3O +) apod., Které poskytují výjimečné reaktivní podmínky v kapalině tak, aby se reakční rychlost podstatně zvýšila. Pevné částice, jako jsou částice, se urychlují tryskami kapaliny a jsou rozemleté ​​interpartikulárním kolizím a oděrem, čímž se zvyšuje aktivní plocha povrchu a tím se přenáší hmota.
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)
 

Proby-typ ultrazvuku zlepšuje vyluhování a regeneraci drahých kovů a materiálů z použitých Li-ion baterií. Hielscher Ultrasonics dodává na klíč ultrasonicators připravené k instalaci do zařízení na recyklaci baterií pro lepší recyklační výnosy.

Použité krystaly LiCoO2 před (a) a po (b) ultrazvukové léčbě při 120 ◦ C po dobu 6 hodin.
Studie a obrázky: ©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 environmentálním výhodám sonikace.

Vysoce výkonné průmyslové ultrazvuky pro vyluhování kovů z použitých baterií

UIP4000hdT - Hielscher's 4kW high-performance ultrasonic system Hielscher Ultrasonics je váš dlouholetý dodavatel pro vysoce účinné a spolehlivé ultrazvukové systémy, které dodávají požadovaný výkon pro vyluhování kovů z odpadních materiálů. Aby bylo možné znovu zpracovat lithium-iontové baterie extrakcí kovů, jako je kobalt, lithium, nikl a mangan, jsou nezbytné výkonné a robustní ultrazvukové systémy. Hielscher Ultrazvuk průmyslové jednotky, jako je UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW), a UIP16000 (16kW) jsou nejsilnější a robustní 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 24/7 při vysoké službě a v náročných prostředích. Hielscher dodává speciální sonotrody a reaktory pro vysoké teploty, tlaky a korozivní kapaliny. Díky tomu jsou naše průmyslové ultrasonicators nejvhodnější pro extrakční metalurgické techniky, např. hydrometalurgické ošetření.

Níže uvedená tabulka vám dává informaci o přibližné zpracovatelské kapacity našich ultrasonicators:

Hromadná dávkaprůtokDoporučené Devices
00,1 až 20L00,2 až 4 litry / minUIP2000hdT
10 až 100L2 až 10 l / minUIP4000hdT
20 až 200L4 až 20 l/minUIP6000hdT
na10 až 100L / minUIP16000
navětšíhrozen UIP16000

Kontaktujte nás! / Zeptej se nás!

Použijte formulář níže, pokud chcete požádat o další informace o ultrazvukové homogenizace. Budeme rádi Vám nabídnout ultrazvukový systém plnění vašich požadavků.









Uvědomte si prosím naši Zásady ochrany osobních údajů,




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. Zdroj: Deutsche Bank

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.

Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové přístroje.

Výkonná sonikace od laboratoře a laboratoře až po průmyslovou výrobu.

Rádi probereme váš proces.

Pojďme se spojit.