Ultralyd til genbrug af lithiumionbatterier
- Lithium-ionbatterier, der anvendes i elbiler, er lige nu kommet til massemarkedet, og med det skal genvindingsevnen udvikles.
- Ultralydudvaskning er en effektiv, miljøvenlig teknik til genopretning af metaller som Li, Mg, Co, Ni etc. fra brugte Li-ion-batterier.
- Hielschers industrielle ultralydssystemer til udvaskning er pålidelige og robuste og kan nemt integreres i eksisterende genanvendelsesanlæg.
Genbrug af lithium-ion batterier
Lithium-ion batterier er almindeligt anvendt i elektriske køretøjer (EV), laptops og mobiltelefoner. Det betyder, at brugte lithium-ion-batterier er en aktuel udfordring med hensyn til affaldshåndtering og genanvendelse. Batterierne er en stor omkostning for elbiler, og deres bortskaffelse er også dyrt. Miljømæssige og økonomiske aspekter presser på for at få en lukket genbrugs sløjfe, da batteri affaldet indeholder værdifulde materialer og medvirker til at reducere CO2-belastningen fra fremstilling af lithium-ion-batterier.
Genbrug af Li-ion-batterier vokser til en blomstrende industrisektor for at sikre fremtidig tilgængelighed af sjældne jordarters metaller og andre batterikomponenter og reducere miljøomkostningerne ved minedrift.
Industriel ultralydsudvaskning
Ultralydudvaskning og metaludvinding kan anvendes til genbrugsprocesser af lithium koboltoxidbatterier (fx fra bærbare computere, smartphones osv.) Samt komplekse lithium-nikkel-mangan-cobalt-batterier (fx fra elbiler).
Ultralyd med høj effekt er velkendt for dets evne til at behandle kemiske væsker og opslæmninger for at forbedre massoverførslen og initiere kemiske reaktioner.
De intense virkninger af magt ultralyd er baseret på fænomenet akustisk kavitation. Ved at forbinde høj-effekt ultralyd i væsker / opslæmninger, genererer de alternerende lavtryks- og højtryksbølger i væsker små vakuumbobler. De små vakuumhuler vokser over forskellige lavtryks- / højtrykscyklusser, indtil de imploderer voldsomt. De sammenbrudende vakuumbobler kan betragtes som mikroreaktorer, hvor temperaturer på op til 5000K, tryk på op til 1000atm og opvarmning og køling satser over 10-10 forekomme. Derudover genereres stærke hydrodynamiske forskydningskræfter og væskestråler med en hastighed på op til 280m / s. Disse ekstreme betingelser for akustisk kavitation skaber ekstraordinære fysiske og kemiske forhold i ellers kolde væsker og skaber et gavnligt miljø for kemiske reaktioner (sonochemistry).
48kW ultralyd processor
til krævende anvendelser som udvaskning af metaller
Ultralydudvaskning af metaller fra udtømt batteriaffald.
Den store fordel ved ultralydudvaskning og metalgenopretning er den nøjagtige kontrol over procesparametrene som amplitude, tryk og temperatur. Disse parametre tillader justering af reaktionsbetingelserne nøjagtigt til procesmediet og målrettet udgang. Desuden fjerner ultralydudvaskning selv de mindste metalpartikler fra substratet, samtidig med at mikrostrukturer bevares. Den forbedrede metalgenopretning skyldes ultralydsdannelsen af stærkt reaktive overflader, forøgede reaktionshastigheder og forbedret massetransport. Sonikationsprocesser kan optimeres ved at påvirke hver parameter og er derfor ikke kun meget effektive, men også meget energieffektive.
Den nøjagtige parameterkontrol og energieffektivitet gør ultralydsudvaskning den fordelagtige og fremragende teknik – især sammenlignet med komplicerede syreudvasknings- og chelationsteknikker.
Ultralyd Recovery af LiCoO2 fra brugte lithium-ion batterier
Ultralydning hjælper den reduktive udvaskning og kemiske udfældning, som anvendes til at genvinde Li som Li2CO3 og Co som Co (OH)2 fra brugte lithium-ion batterier.
Zhang et al. (2014) rapporterer om en vellykket genopretning af LiCoO2 ved hjælp af en ultralydreaktor. For at forberede startopløsningen på 600 ml placerede de 10 g ugyldig LiCoO2 pulver i et bægerglas og tilsat 2,0 mol / l LiOH-opløsning, som blev blandet.
Blandingen blev hældt i ultralydsbestrålingen, og omrøringsindretningen startede, omrøringsindretningen blev anbragt i det indre af reaktionsbeholderen. Det blev opvarmet til 120◦C, og derefter den Ultralydsindretning blev indstillet til 800W, og ultralydtilstanden blev indstillet til pulserende arbejdscyklus på 5 sek. ON / 2sec. AF. Ultralydbestrålingen blev påført i 6 timer, og derefter blev reaktionsblandingen afkølet til stuetemperatur. Den faste remanens blev vasket flere gange med deioniseret vand og tørret ved 80 ° C indtil konstant vægt. Den opnåede prøve blev opsamlet til efterfølgende test og batteriproduktion. Afladningskapaciteten i første cyklus er 134,2mAh / g, og udledningskapaciteten er 133,5mAh / g. Førstidsladningen og udladningseffektiviteten var 99,5%. Efter 40 cyklusser er udladningskapaciteten stadig 132,9mAh / g. (Zhang et al., 2014)
Brugte LiCoO2 krystaller før (a) og efter (b) ultralydbehandling ved 120◦C i 6 timer. kilde: Zhang et al. 2014
Ultralydudvaskning med organiske syrer som citronsyre er ikke kun effektiv, men også miljøvenlig. Forskning viste, at udvaskningen af Co og Li er mere effektiv med citronsyre end med de uorganiske syrer H2SÅ4 og HCI. Mere end 96% Co og næsten 100% Li blev genvundet fra brugte lithium-ion-batterier. Den kendsgerning, at organiske syrer som citronsyre og eddikesyre er billige og biologisk nedbrydelige, bidrager til yderligere økonomiske og miljømæssige fordele ved sonikering.
High Power Industrial Ultrasonics
Hielscher Ultrasonics er din længe erfarne leverandør til højt effektive og pålidelige ultralydsystemer, der leverer den nødvendige kraft til at udvask metal fra affaldsmaterialer. For at genoparbejde li-ion batterier ved at udvide metaller som kobolt, lithium, nikkel og mangan er kraftfulde og robuste ultralydsystemer afgørende. Hielscher Ultrasonics’ industrielle enheder som f.eks UIP4000hdT (4 kW), UIP10000 (10kW) og UIP16000 (16kW) er de mest kraftfulde og robuste højtydende ultralydssystemer på markedet. Alle vores industrielle enheder kan løbende køre med meget høje amplituder på op til 200 μm i 24/7 drift. Til endnu højere amplituder er der til rådighed tilpassede ultralydssonotroder. Robustheden af Hielscher's ultralyd udstyr giver mulighed for døgnet rundt drift i tunge og krævende omgivelser. Hielscher leverer også specielle sonotroder og reaktorer til høje temperaturer, tryk og ætsende væsker. Dette gør vores industrielle ultralydapparater mest egnede til udvindingsmetallurgi teknikker, fx hydrometallurgiske behandlinger.
Tabellen nedenfor giver dig en indikation af den omtrentlige forarbejdningskapacitet hos vores ultralydapparater:
| Batch Volumen | Strømningshastighed | Anbefalede enheder |
|---|---|---|
| 0.1 til 20L | 0.2 til 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 til 100 l | 2 til 10 l / min | UIP4000 |
| na | 10 til 100 l / min | UIP16000 |
| na | større | klynge af UIP16000 |
Fakta Værd at vide
Lithium-ion batterier
Lithium-ion batterier (LIB) er den kollektive terme for (genopladelige) batterier, der tilbyder en høj energitæthed og er ofte integreret i forbrugerelektronik som elektroniske biler, hybridbiler, bærbare computere, mobiltelefoner, iPods osv. I sammenligning med Andre varianter af genopladelige batterier med tilsvarende størrelse og kapacitet, LIB'er er signifikant lettere.
I modsætning til etgangs lithium-primært batteri bruger en LIB intercaleret lithiumforbindelse i stedet for metallisk lithium som sin elektrode. De vigtigste bestanddele i et lithium-ion batteri er dets elektroder – anode og katode – og elektrolytten.
De fleste celler deler fælles komponenter med hensyn til elektrolytten, separatoren, folierne og huset. Den væsentligste forskel mellem celleteknologier er materialet der anvendes som “aktive materialer” såsom katode og anode. Grafit er det mest anvendte materiale som anode, mens katoden er lavet af lagdelt LiMO2 (M = Mn, Co og Ni), spinel LiMn2den4, eller olivin LiFePO4. De elektrolytorganiske væskeelektrolytter (fx LiPF6-salt opløst i en blanding af organiske opløsningsmidler, såsom ethylencarbonat (EC), dimethylcarbonat (DMC), diethylcarbonat (DEC), ethylmethylcarbonat (EMC) osv.) Muliggør ionisk bevægelse.
Afhængig af de positive (katode) og negative (anode) elektrodematerialer varierer energitætheden og spændingen af LIB'er henholdsvis.
Når det bruges i elektriske køretøjer, bruges ofte elektrisk bilbatteri (EVB) eller trækkraftbatteri. Sådanne trækkobatterier anvendes i gaffeltrucks, elektriske golfvogne, gulvskrubber, elektriske motorcykler, elbiler, lastbiler, varevogne og andre elektriske køretøjer.
Metal genbrug fra brugte Li-Ion batterier
I forhold til andre typer batterier, der ofte indeholder bly eller cadmium, indeholder Li-ion-batterier mindre giftige metaller og betragtes derfor som miljøvenlige. Men den store mængde brugte Li-ion-batterier, som skal kasseres som brugte batterier fra elbiler, udgør et affaldsproblem. Derfor er en lukket genbrugsløkke af Li-ion-batterier nødvendig. Fra et økonomisk synspunkt kan metalelementer som jern, kobber, nikkel, kobolt og lithium genvindes og genanvendes ved fremstilling af nye batterier. Genbrug kan også forhindre en fremtidig mangel.
Selvom batterier med højere nikkelbelastninger kommer ind på markedet, er det ikke muligt at producere batterier uden kobolt. Det højere nikkelindhold kommer til en pris: Med et forøget nikkelindhold sænkes batteriets stabilitet, og dermed reduceres dets cyklelevetid og hurtig opladning.
Voksende efterspørgsel efter Li-ion-batterier kræver øget genbrugskapacitet for spildbatterier.
Genbrugsproces
Batterier af elektriske køretøjer som Tesla Roadster har en omtrentlig levetid på 10 år.
Genbrug af udmattede Li-ion-batterier er en krævende proces, da højspænding og farlige kemikalier er involveret, hvilket medfører risikoen for termisk bortskaffelse, elektrisk stød og emission af farlige stoffer.
For at etablere en lukket kredsløb genbrug, skal hver kemisk binding og alle elementer adskilles i deres individuelle fraktioner. Imidlertid er den energi, der er nødvendig for en sådan genanvendelse af lukket kredsløb, meget dyrt. De mest værdifulde materialer til nyttiggørelse er metaller som Ni, Co, Cu, Li, etc. Da dyre minedrift og høje markedspriser på metalkomponenter gør genanvendelsen økonomisk attraktiv.
Genbrugsprocessen af Li-ion-batterier starter med demontering og udladning af batterierne. Inden batteriet åbnes, kræves der en passivering for at deaktivere kemikalierne i batteriet. Passivation kan opnås ved kryogen frysning eller kontrolleret oxidation. Afhængigt af batteristørrelsen kan batterierne demonteres og demonteres ned til cellen. Efter demontering og knusning isoleres komponenterne ved adskillige metoder (fx screening, sigtning, håndplukning, magnetisk, våd og ballistisk adskillelse) for at fjerne cellehuse, aluminium, kobber og plast fra elektrodpulveret. Adskillelsen af elektrodematerialerne er nødvendig for nedstrøms processer, fx hydrometallurgisk behandling.
Pyrolyse
Til pyrolytisk forarbejdning smelter ristede batterier i en ovn, hvor kalksten tilsættes som slaggdannende middel.
Hydrotermiske processer
Hydrometallurgisk behandling er baseret på syrereaktioner for at udfælde saltene som metaller. Typiske hydrometallurgiske processer indbefatter udvaskning, udfældning, ionbytter, opløsningsmiddelekstraktion og elektrolyse af vandige opløsninger.
Fordelen ved hydrotermisk behandling er det høje udbytteudbytte på + 95% Ni og Co som salte, + 90% Li kan udfældes, og resten kan genvindes op til + 80%.
Især kobolt er en kritisk komponent i lithium-ion batteri katoder til høj energi og strøm applikationer.
Nuværende hybridbiler, såsom Toyota Prius, bruger nikkelmetalhydridbatterier, som demonteres, aflades og genbruges på samme måde som Li-ion-batterier.
Litteratur / Referencer
- 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.
Kraftig lydbehandling fra lab og bench-top til industriel produktion.