Υπερήχων για την ανακύκλωση μπαταριών ιόντων λιθίου
- Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου που χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα έρχονται τώρα στη μαζική αγορά και με αυτό πρέπει να αναπτυχθούν δυνατότητες ανακύκλωσης.
- Η υπερηχητική απόπλυση είναι μια αποτελεσματική, φιλική προς το περιβάλλον τεχνική για την ανάκτηση μετάλλων όπως Li, Mg, Co, Ni κ.λπ. από τις χρησιμοποιημένες μπαταρίες ιόντων λιθίου.
- Τα βιομηχανικά υπερηχητικά συστήματα της Hielscher για εφαρμογές έκπλυσης είναι αξιόπιστα και ανθεκτικά και μπορούν εύκολα να ενσωματωθούν σε υπάρχουσες εγκαταστάσεις ανακύκλωσης.
Ανακύκλωση μπαταριών ιόντων λιθίου
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούνται ευρέως στα ηλεκτρικά οχήματα (EV), στους φορητούς υπολογιστές και στα κινητά τηλέφωνα. Αυτό σημαίνει ότι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου που δαπανώνται αποτελούν τρέχουσα πρόκληση όσον αφορά τη διαχείριση και την ανακύκλωση των αποβλήτων. Οι μπαταρίες είναι ένας σημαντικός οδηγός κόστους για τις ΕΕΥ, και η διάθεσή τους είναι επίσης δαπανηρή. Οι περιβαλλοντικές και οικονομικές πτυχές ωθίζονται σε κλειστό βρόχο ανακύκλωσης, καθώς τα απορρίμματα μπαταριών περιέχουν πολύτιμα υλικά και συμβάλλουν στη μείωση του αποτυπώματος άνθρακα της παραγωγής μπαταριών ιόντων λιθίου.
Η ανακύκλωση των μπαταριών ιόντων λιθίου αναπτύσσεται σε έναν ευημερούντα βιομηχανικό τομέα, προκειμένου να διασφαλιστεί η μελλοντική διαθεσιμότητα των μετάλλων σπάνιων γαιών και άλλων εξαρτημάτων των μπαταριών και να μειωθεί το περιβαλλοντικό κόστος της εξόρυξης.
Βιομηχανική υπερηχητική απόπλυση
Η εκχύλιση με υπερήχους και η εκχύλιση μετάλλων μπορούν να εφαρμοστούν στις διαδικασίες ανακύκλωσης των μπαταριών λιθίου οξειδίου του κοβαλτίου (π.χ. από φορητούς υπολογιστές, smartphones κ.λπ.) καθώς και σύνθετων μπαταριών λιθίου-νικελίου-μαγγανίου-κοβαλτίου (π.χ. ηλεκτρικών οχημάτων).
Ο υπέρηχος υψηλής ισχύος είναι γνωστός για την ικανότητά του να επεξεργάζεται χημικά υγρά και πολτούς προκειμένου να βελτιωθεί η μεταφορά μαζών και να ξεκινήσουν οι χημικές αντιδράσεις.
Οι έντονες επιδράσεις της υπερηχητικής ισχύος βασίζονται στο φαινόμενο της ακουστικής σπηλαίωσης. Με τη σύνδεση υπερήχων υψηλής ισχύος σε υγρά / ιλύες, τα εναλλασσόμενα κύματα χαμηλής πίεσης και υψηλής πίεσης σε υγρά δημιουργούν μικρές φυσαλίδες κενού. Τα κενά μικρού κενού αναπτύσσονται σε διάφορους κύκλους χαμηλής πίεσης / υψηλής πίεσης έως ότου βυθιστεί βίαια. Οι φυσαλίδες κατάρρευσης κενού μπορούν να θεωρηθούν ως μικροαντιδραστήρες στις οποίες θερμοκρασίες μέχρι 5000K, πιέσεις μέχρι 1000atm, και ταχύτητες θέρμανσης και ψύξης πάνω από 10-10 συμβούν. Επιπλέον, παράγονται ισχυρές δυνάμεις υδροδυναμικής διάτμησης και πίδακες υγρού με ταχύτητα μέχρι 280m / s. Αυτές οι ακραίες συνθήκες ακουστικής σπηλαίωσης δημιουργούν εξαιρετικές φυσικές και χημικές συνθήκες σε διαφορετικά ψυχρά υγρά και δημιουργούν ένα ευεργετικό περιβάλλον για χημικές αντιδράσεις (sonochemistry).
48kW επεξεργαστή υπερήχων
για απαιτητικές εφαρμογές όπως η έκπλυση μετάλλων
Υπερηχητική έκπλυση μετάλλων από απορρίμματα μπαταριών που έχουν εξαντληθεί.
Το μεγάλο πλεονέκτημα της υπεριώδους έκπλυσης και της ανάκτησης μετάλλων είναι ο ακριβής έλεγχος των παραμέτρων της διαδικασίας όπως πλάτος, πίεση και θερμοκρασία. Αυτές οι παράμετροι επιτρέπουν την προσαρμογή των συνθηκών αντίδρασης ακριβώς στο μέσο επεξεργασίας και στη στοχοθετημένη έξοδο. Επιπλέον, η υπερηχητική απόπλυση αφαιρεί ακόμη και τα μικρότερα σωματίδια μετάλλου από το υπόστρωμα, διατηρώντας παράλληλα τις μικροδομές. Η ενισχυμένη ανάκτηση μετάλλων οφείλεται στην υπερήχηση δημιουργίας πολύ αντιδρώντων επιφανειών, αυξημένων ρυθμών αντίδρασης και βελτιωμένης μεταφοράς μαζών. Οι διεργασίες sonication μπορούν να βελτιστοποιηθούν επηρεάζοντας κάθε παράμετρο και ως εκ τούτου δεν είναι μόνο πολύ αποτελεσματικές αλλά και εξαιρετικά ενεργειακά αποδοτικές.
Ο ακριβής έλεγχος παραμέτρων και η ενεργειακή απόδοση καθιστούν την υπερήχηση να εκπέμπει την ευνοϊκή και εξαιρετική τεχνική – ιδιαίτερα σε σύγκριση με περίπλοκες τεχνικές έκπλυσης και χηλίωσης με οξύ.
Υπερηχητική ανάκτηση του LiCoO2 από τις χρησιμοποιημένες μπαταρίες ιόντων λιθίου
Η υπερήχους βοηθά στην αναγωγική έκπλυση και τη χημική κατακρήμνιση, οι οποίες χρησιμοποιούνται για την ανάκτηση Li ως Li2συνεργασία3 και Co ως Co (ΟΗ)2 από αποβλήτες μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Zhang et αϊ. (2014) αναφέρουν την επιτυχή ανάκτηση του LiCoO2 χρησιμοποιώντας έναν υπερηχητικό αντιδραστήρα. για να ετοιμάσουν το αρχικό διάλυμα 600mL, έβαλαν 10g άκυρου LiCoO2 σκόνης σε ένα ποτήρι και προστέθηκαν 2,0mol / L διαλύματος LiOH, τα οποία αναμίχθηκαν.
Το μίγμα χύθηκε στην υπερηχητική ακτινοβολία και ξεκίνησε η συσκευή ανάδευσης, η συσκευή ανάδευσης τοποθετήθηκε στο εσωτερικό του δοχείου αντίδρασης. Θερμάνθηκε στους 120 ° C και έπειτα το συσκευή υπερήχων ρυθμίστηκε σε 800W και ο τρόπος δράσης υπερήχων ρυθμίστηκε σε κύκλους παλμικού κύκλου λειτουργίας των 5 δευτερολέπτων. ON / 2sec. ΜΑΚΡΙΑ ΑΠΟ. Η υπερηχητική ακτινοβολία εφαρμόστηκε για 6 ώρες και στη συνέχεια το μίγμα αντίδρασης ψύχθηκε σε θερμοκρασία δωματίου. Το στερεό υπόλειμμα πλύθηκε μερικές φορές με απιονισμένο νερό και ξηράνθηκε στους 80 ° C μέχρι σταθερού βάρους. Το ληφθέν δείγμα συλλέχθηκε για μετέπειτα δοκιμή και παραγωγή μπαταρίας. Η χωρητικότητα φόρτισης στον πρώτο κύκλο είναι 134,2mAh / g και η ικανότητα αποφόρτισης είναι 133,5mAh / g. Η απόδοση φόρτισης και εκφόρτισης για πρώτη φορά ήταν 99,5%. Μετά από 40 κύκλους, η ικανότητα αποφόρτισης εξακολουθεί να είναι 132,9mAh / g. (Zhang et al., 2014)
Οι χρησιμοποιημένοι LiCoO2 κρύσταλλοι πριν (α) και μετά (β) επεξεργασία υπερήχων σε 120◦C για 6 ώρες. πηγή: Zhang et αϊ. 2014
Η υπερηχητική απόπλυση με οργανικά οξέα, όπως το κιτρικό οξύ, είναι όχι μόνο αποτελεσματική αλλά και φιλική προς το περιβάλλον. Η έρευνα έδειξε ότι η έκπλυση των Co και Li είναι πιο αποτελεσματική με το κιτρικό οξύ από ότι με τα ανόργανα οξέα H2ΕΤΣΙ4 και ΗΟΙ. Περισσότερο από 96% Co και σχεδόν 100% Li ανακτήθηκαν από τις χρησιμοποιημένες μπαταρίες ιόντων λιθίου. Το γεγονός ότι τα οργανικά οξέα όπως το κιτρικό οξύ και το οξικό οξύ είναι φθηνά και βιοαποικοδομήσιμα, συμβάλλει σε περαιτέρω οικονομικά και περιβαλλοντικά πλεονεκτήματα της υπερήχησης.
Βιομηχανική υπερήχων υψηλής ισχύος
Η Hielscher Ultrasonics είναι ο προμηθευτής σας με πολύχρονη εμπειρία για υψηλής απόδοσης και αξιόπιστα συστήματα υπερήχων, τα οποία παράγουν την απαιτούμενη ισχύ για την έκπλυση μετάλλων από απόβλητα. Προκειμένου να επανεπεξεργαστούν οι μπαταρίες ιόντων λιθίου με την εξαγωγή μετάλλων όπως το κοβάλτιο, το λίθιο, το νικέλιο και το μαγγάνιο, είναι απαραίτητα ισχυρά και ανθεκτικά υπερηχητικά συστήματα. Hielscher Ultrasonics’ βιομηχανικές μονάδες όπως η UIP4000hdT (4 kW), UIP10000 (10kW) και UIP16000 (16kW) είναι τα ισχυρότερα και ισχυρότερα συστήματα υπερήχων υψηλής απόδοσης στην αγορά. Όλες οι βιομηχανικές μονάδες μας μπορούν να λειτουργούν συνεχώς με πολύ υψηλά πλάτη μέχρι 200μm σε λειτουργία 24/7. Για ακόμα μεγαλύτερα πλάτη, είναι διαθέσιμα προσαρμοσμένα υπερηχητικά sonotrodes. Η ανθεκτικότητα του εξοπλισμού υπερήχων της Hielscher επιτρέπει τη λειτουργία 24/7 σε βαριά και απαιτητικά περιβάλλοντα. Η Hielscher προμηθεύει ειδικά sonotrodes και αντιδραστήρες για υψηλές θερμοκρασίες, πιέσεις και διαβρωτικά υγρά. Αυτό καθιστά τους βιομηχανικούς υπερηχογράφοι μας πιο κατάλληλους για τεχνικές εξόρυξης μεταλλουργίας, π.χ. υδρομεταλλουργικές θεραπείες.
Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη για την κατά προσέγγιση ικανότητα επεξεργασίας των υπερήχων μας:
| Μαζική Όγκος | Ρυθμός ροής | Προτεινόμενες συσκευές |
|---|---|---|
| 0.1 έως 20 λίτρα | 0.2 έως 4 λίτρα / λεπτό | UIP2000hdT |
| 10 έως 100L | 2 έως 10 λίτρα / λεπτό | UIP4000 |
| μ.δ. | 10 έως 100 λίτρα / λεπτό | UIP16000 |
| μ.δ. | μεγαλύτερος | σύμπλεγμα UIP16000 |
Γεγονότα που αξίζει να γνωρίζουμε
Μπαταρίες ιόντων λιθίου
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου (LIB) αποτελούν το συλλογικό προϊόν για επαναφορτιζόμενες μπαταρίες που προσφέρουν υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και συχνά ενσωματώνονται σε καταναλωτικά ηλεκτρονικά όπως ηλεκτρονικά αυτοκίνητα, υβριδικά αυτοκίνητα, φορητοί υπολογιστές, κινητά τηλέφωνα, iPods κλπ. Σε σύγκριση με άλλες παραλλαγές επαναφορτιζόμενων μπαταριών με παρόμοιο μέγεθος και χωρητικότητα, τα LIBs είναι σημαντικά ελαφρύτερα.
Σε αντίθεση με την πρωτεύουσα μπαταρία λιθίου μίας χρήσης, το LIB χρησιμοποιεί ως ηλεκτρόδιο το σύμπλοκο λιθίου αντί για το μεταλλικό λίθιο. Τα κυριότερα συστατικά μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου είναι τα ηλεκτρόδια – ανόδου και καθόδου – και τον ηλεκτρολύτη.
Τα περισσότερα κύτταρα μοιράζονται κοινά συστατικά όσον αφορά τον ηλεκτρολύτη, τον διαχωριστή, τα φύλλα και το περίβλημα. Η κύρια διαφορά μεταξύ τεχνολογιών κυττάρων είναι το υλικό που χρησιμοποιείται ως “ενεργά υλικά” όπως η κάθοδος και η άνοδος. Ο γραφίτης είναι το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο υλικό ως άνοδος, ενώ η κάθοδος είναι κατασκευασμένη από πολυστρωματικό LiMO2 (M = Mn, Co, και Ni), spinel LiMn2ο4, ή ολιβίνη LiFePO4. Οι ηλεκτρολύτες οργανικών υγρών ηλεκτρολυτών (π.χ. άλας LiPF6 διαλυμένο σε μίγμα οργανικών διαλυτών, όπως ανθρακικό αιθυλένιο (EC), ανθρακικό διμεθύλιο (DMC), ανθρακικό διαιθύλιο (DEC), ανθρακικός μεθυλεστέρας αιθυλίου (EMC) κ.λπ. ιονική κίνηση.
Ανάλογα με τα θετικά (καθόδου) και τα αρνητικά (ανόδους) ηλεκτρόδια, η πυκνότητα και η τάση ενέργειας των LIB κυμαίνονται αντίστοιχα.
Όταν χρησιμοποιείται σε ηλεκτρικά οχήματα, χρησιμοποιείται συχνά μπαταρία ηλεκτρικών οχημάτων (EVB) ή μπαταρία έλξης. Τέτοιες μπαταρίες έλξης χρησιμοποιούνται σε περονοφόρα οχήματα, ηλεκτρικά καροτσάκια γκολφ, πλυντήρια δαπέδων, ηλεκτρικές μοτοσυκλέτες, ηλεκτρικά αυτοκίνητα, φορτηγά, φορτηγά και άλλα ηλεκτρικά οχήματα.
Ανακύκλωση μετάλλων από χρησιμοποιημένες μπαταρίες ιόντων λιθίου
Σε σύγκριση με άλλους τύπους μπαταριών που περιέχουν συχνά μόλυβδο ή κάδμιο, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου περιέχουν λιγότερο τοξικά μέταλλα και ως εκ τούτου θεωρούνται φιλικές προς το περιβάλλον. Ωστόσο, το τεράστιο ποσό των εξαντλημένων μπαταριών ιόντων λιθίου, οι οποίες θα πρέπει να διατεθούν ως χρησιμοποιημένες ηλεκτρικές στήλες από ηλεκτρικά αυτοκίνητα, παρουσιάζουν πρόβλημα αποβλήτων. Επομένως, ένας κλειστός βρόχος ανακύκλωσης μπαταριών ιόντων λιθίου είναι απαραίτητος. Από οικονομική άποψη, μεταλλικά στοιχεία όπως ο σίδηρος, ο χαλκός, το νικέλιο, το κοβάλτιο και το λίθιο μπορούν να ανακτηθούν και να επαναχρησιμοποιηθούν στην παραγωγή νέων μπαταριών. Η ανακύκλωση θα μπορούσε επίσης να αποτρέψει μια μελλοντική έλλειψη.
Αν και οι μπαταρίες με υψηλότερα φορτία νικελίου εισέρχονται στην αγορά, δεν είναι δυνατή η παραγωγή μπαταριών χωρίς κοβάλτιο. Η υψηλότερη περιεκτικότητα σε νικέλιο έρχεται με κόστος: Με αυξημένη περιεκτικότητα σε νικέλιο, η σταθερότητα της μπαταρίας μειώνεται και συνεπώς μειώνεται η διάρκεια ζωής της και η δυνατότητα γρήγορης φόρτισης.
Η αυξανόμενη ζήτηση για μπαταρίες ιόντων λιθίου απαιτεί αυξημένες δυνατότητες ανακύκλωσης για απορριπτόμενες μπαταρίες.
Διαδικασία ανακύκλωσης
Οι μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων όπως το Tesla Roadster έχουν κατά προσέγγιση διάρκεια ζωής 10 ετών.
Η ανακύκλωση των εξαντλημένων μπαταριών ιόντων λιθίου είναι μια απαιτητική διαδικασία δεδομένου ότι εμπλέκονται υψηλής τάσης και επικίνδυνων χημικών ουσιών, οι οποίες ενέχουν κινδύνους θερμικής διαφυγής, ηλεκτροπληξίας και εκπομπής επικίνδυνων ουσιών.
Για να δημιουργηθεί μια ανακύκλωση κλειστού βρόχου, κάθε χημικός δεσμός και όλα τα στοιχεία πρέπει να χωριστούν στα μεμονωμένα κλάσματά τους. Ωστόσο, η ενέργεια που απαιτείται για μια τέτοια ανακύκλωση κλειστού βρόχου είναι πολύ δαπανηρή. Τα πιο πολύτιμα υλικά για ανάκτηση είναι τα μέταλλα όπως τα Ni, Co, Cu, Li κ.λπ. δεδομένου ότι τα ακριβά ορυχεία και οι υψηλές τιμές των μεταλλικών εξαρτημάτων καθιστούν την ανακύκλωση οικονομικά ελκυστική.
Η διαδικασία ανακύκλωσης των μπαταριών ιόντων λιθίου αρχίζει με την αποσυναρμολόγηση και την αποφόρτιση των μπαταριών. Πριν ανοίξετε τη μπαταρία, απαιτείται παθητικοποίηση για να απενεργοποιήσετε τις χημικές ουσίες της μπαταρίας. Η παθητικοποίηση μπορεί να επιτευχθεί με κρυογονική κατάψυξη ή ελεγχόμενη οξείδωση. Ανάλογα με το μέγεθος της μπαταρίας, οι μπαταρίες μπορούν να αποσυναρμολογηθούν και να αποσυναρμολογηθούν προς τα κάτω στο κελί. Μετά την αποσυναρμολόγηση και τη σύνθλιψη, τα συστατικά απομονώνονται με διάφορες μεθόδους (π.χ. διαλογή, κοσκίνισμα, χέρι, μαγνητικό, υγρό και βαλλιστικό διαχωρισμό) προκειμένου να αφαιρεθούν τα περιβλήματα των κυττάρων, το αλουμίνιο, ο χαλκός και τα πλαστικά από την σκόνη του ηλεκτροδίου. Ο διαχωρισμός των υλικών των ηλεκτροδίων είναι απαραίτητος για τις διαδικασίες που ακολουθούν, π.χ. υδρομεταλλουργική επεξεργασία.
Πυρόλυση
Για πυρολυτική επεξεργασία, οι τεμαχισμένες μπαταρίες τήκονται σε κλίβανο όπου προστίθεται ασβεστόλιθος ως παράγοντας σχηματισμού σκωρίας.
Υδροθερμικές διεργασίες
Η υδρομεταλλουργική επεξεργασία βασίζεται σε όξινες αντιδράσεις προκειμένου να καθιζάνουν τα άλατα ως μέταλλα. Τυπικές υδρομεταλλουργικές διεργασίες περιλαμβάνουν την έκπλυση, καθίζηση, ανταλλαγή ιόντων, εκχύλιση με διαλύτη και ηλεκτρόλυση υδατικών διαλυμάτων.
Το πλεονέκτημα της υδροθερμικής επεξεργασίας είναι η υψηλή απόδοση ανάκτησης + 95% των Ni και Co ως άλατα, + 90% του Li μπορεί να κατακρημνιστεί και το υπόλοιπο μπορεί να ανακτηθεί έως + 80%.
Ειδικά το κοβάλτιο αποτελεί κρίσιμο στοιχείο στις κάθοδοι των μπαταριών ιόντων λιθίου για εφαρμογές υψηλής ενέργειας και ισχύος.
Τα τρέχοντα υβριδικά αυτοκίνητα, όπως το Toyota Prius, χρησιμοποιούν μπαταρίες νικελίου-υδριδίου μετάλλου, τα οποία αποσυναρμολογούνται, εκκενώνονται και ανακυκλώνονται με τον ίδιο τρόπο όπως και οι μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Λογοτεχνία / Αναφορές
- 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.
Ισχυρή επεξεργασία με υπερήχους από εργαστήριο και πάγκο-κορυφή στη βιομηχανική παραγωγή.