Υπέρηχοι για την ανακύκλωση μπαταριών ιόντων λιθίου
- Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου που χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα μόλις τώρα εισέρχονται στη μαζική αγορά και, παράλληλα, πρέπει να αναπτυχθεί η δυναμικότητα ανακύκλωσής τους.
- Η έκπλυση με υπερήχους είναι μια αποδοτική, φιλική προς το περιβάλλον τεχνική για την ανάκτηση μετάλλων όπως Li, Mg, Co, Ni κ.λπ. από χρησιμοποιημένες μπαταρίες ιόντων λιθίου.
- Τα βιομηχανικά συστήματα υπερήχων της Hielscher για εφαρμογές έκπλυσης είναι αξιόπιστα και ανθεκτικά και μπορούν να ενσωματωθούν εύκολα σε υπάρχουσες μονάδες ανακύκλωσης.
Ανακύκλωση μπαταριών ιόντων λιθίου
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούνται ευρέως σε ηλεκτρικά οχήματα (EV), φορητούς υπολογιστές και κινητά τηλέφωνα. Αυτό σημαίνει ότι οι χρησιμοποιημένες μπαταρίες ιόντων λιθίου αποτελούν μια σημερινή πρόκληση όσον αφορά τη διαχείριση αποβλήτων και την ανακύκλωση. Οι μπαταρίες αποτελούν σημαντικό παράγοντα κόστους για τα ηλεκτρικά οχήματα, ενώ και η διάθεσή τους είναι δαπανηρή. Περιβαλλοντικοί και οικονομικοί παράγοντες ωθούν προς την ανακύκλωση σε κλειστό κύκλο, καθώς τα απόβλητα μπαταριών περιέχουν πολύτιμα υλικά και η ανακύκλωσή τους συμβάλλει στη μείωση του ανθρακικού αποτυπώματος της κατασκευής μπαταριών ιόντων λιθίου.
Η ανακύκλωση μπαταριών ιόντων λιθίου εξελίσσεται σε έναν ακμάζοντα βιομηχανικό κλάδο, προκειμένου να διασφαλιστεί η μελλοντική διαθεσιμότητα μετάλλων σπάνιων γαιών και άλλων συστατικών των μπαταριών και να μειωθεί το περιβαλλοντικό κόστος της εξόρυξης.
Επεξεργαστής υπερήχων 48kW
για απαιτητικές εφαρμογές όπως η έκπλυση μετάλλων
Πυρομεταλλουργική και υδρομεταλλουργική ανακύκλωση έναντι ανακύκλωσης μπαταριών με υπερήχους
Παρακάτω συγκρίνουμε τις συμβατικές μεθόδους πυρομεταλλουργικών και υδρομεταλλουργικών διεργασιών με την τεχνική έκπλυσης με υπερήχους ως προς τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους.
Τα μειονεκτήματα της συμβατικής ανακύκλωσης μπαταριών
Οι παραδοσιακές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την ανακύκλωση μπαταριών ιόντων λιθίου περιλαμβάνουν πυρομεταλλουργικές και υδρομεταλλουργικές διεργασίες.
Οι πυρομεταλλουργικές μέθοδοι περιλαμβάνουν διεργασίες υψηλών θερμοκρασιών, όπως η τήξη ή η αποτέφρωση. Οι μπαταρίες υποβάλλονται σε ακραία θερμότητα, με αποτέλεσμα την καύση των οργανικών συστατικών, ενώ τα μεταλλικά συστατικά που απομένουν τήκονται και διαχωρίζονται. Ωστόσο, αυτές οι μέθοδοι έχουν ορισμένα μειονεκτήματα:
- Περιβαλλοντικές επιπτώσεις: Οι πυρομεταλλουργικές διεργασίες απελευθερώνουν επιβλαβείς εκπομπές και ρύπους στην ατμόσφαιρα, συμβάλλοντας στην ατμοσφαιρική ρύπανση και ενδεχομένως προκαλώντας κινδύνους για την υγεία.
- Απώλεια υλικών: Οι διεργασίες υψηλών θερμοκρασιών μπορούν να οδηγήσουν σε απώλεια πολύτιμων υλικών και μετάλλων λόγω θερμικής αποδόμησης, μειώνοντας το συνολικό ποσοστό ανάκτησης.
- Υψηλή κατανάλωση ενέργειας: Αυτές οι μέθοδοι απαιτούν συνήθως σημαντική εισροή ενέργειας, γεγονός που αυξάνει το λειτουργικό κόστος και το περιβαλλοντικό αποτύπωμα.
Οι υδρομεταλλουργικές μέθοδοι περιλαμβάνουν χημική έκπλυση για τη διάλυση των συστατικών των μπαταριών και την εξαγωγή πολύτιμων μετάλλων. Αν και είναι πιο φιλική προς το περιβάλλον από τις πυρομεταλλουργικές μεθόδους, η υδρομεταλλουργία έχει τα δικά της μειονεκτήματα:
- Χρήση χημικών ουσιών: Για την έκπλυση απαιτούνται ισχυρά οξέα ή άλλες διαβρωτικές χημικές ουσίες, γεγονός που εγείρει ανησυχίες σχετικά με τον χειρισμό των χημικών ουσιών, τη διαχείριση αποβλήτων και την πιθανή μόλυνση του περιβάλλοντος.
- Προκλήσεις επιλεκτικότητας: Η επίτευξη επιλεκτικής έκπλυσης των επιθυμητών μετάλλων μπορεί να είναι δύσκολη, οδηγώντας σε χαμηλότερα ποσοστά ανάκτησης και πιθανή απώλεια πολύτιμων πόρων.
Πλεονεκτήματα της έκπλυσης μπαταριών με υπερήχους έναντι των συμβατικών τεχνικών
Σε σύγκριση τόσο με τις πυρομεταλλουργικές όσο και με τις υδρομεταλλουργικές τεχνικές ανακύκλωσης, η τεχνική ανακύκλωσης μπαταριών με υπερήχους υπερέχει χάρη σε διάφορα πλεονεκτήματα:
- Αυξημένη αποδοτικότητα: Η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να επιταχύνει τη διάσπαση των υλικών των μπαταριών, με αποτέλεσμα μικρότερους χρόνους επεξεργασίας και υψηλότερη συνολική αποδοτικότητα.
- Βελτιωμένα ποσοστά ανάκτησης: Η ελεγχόμενη εφαρμογή σπηλαίωσης με υπερήχους ενισχύει τη διάσπαση των συστατικών των μπαταριών, αυξάνοντας τα ποσοστά ανάκτησης πολύτιμων μετάλλων.
- Φιλική προς το περιβάλλον: Η ανακύκλωση με υπερήχους μειώνει την εξάρτηση από υψηλές θερμοκρασίες και δραστικές χημικές ουσίες, ελαχιστοποιώντας τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις και μειώνοντας τις εκπομπές ρύπων.
- Επιλεκτική έκπλυση: Η ελεγχόμενη εφαρμογή υπερήχων επιτρέπει τη στοχευμένη διάσπαση συγκεκριμένων συστατικών στο εσωτερικό της μπαταρίας, διαχωρίζοντάς τα αποτελεσματικά. Καθώς διαφορετικές ανακυκλώσιμες ενώσεις της μπαταρίας απομακρύνονται και διαλύονται υπό συγκεκριμένες εντάσεις υπερήχων, οι βελτιστοποιημένες παράμετροι επεξεργασίας επιτρέπουν την επιλεκτική εκχύλιση επιμέρους υλικών. Αυτό διευκολύνει τον αποτελεσματικό διαχωρισμό πολύτιμων μετάλλων και υλικών.
- Μειωμένη κατανάλωση ενέργειας: Σε σύγκριση με τις υδρομεταλλουργικές και ιδιαίτερα με τις πυρομεταλλουργικές μεθόδους, η ανακύκλωση με υπερήχους είναι γενικά πιο αποδοτική ενεργειακά, οδηγώντας σε χαμηλότερο λειτουργικό κόστος και μειωμένο αποτύπωμα άνθρακα.
- Δυνατότητα κλιμάκωσης και ευελιξία: Τα συστήματα υπερήχων μπορούν εύκολα να προσαρμοστούν σε μεγαλύτερη ή μικρότερη κλίμακα, ώστε να εξυπηρετούν διάφορα μεγέθη μπαταριών και διαφορετικές παραγωγικές δυναμικότητες. Επιπλέον, οι συσκευές υπερήχων για την ανακύκλωση μπαταριών μπορούν εύκολα να ενσωματωθούν σε ήδη υπάρχουσες εγκαταστάσεις ανακύκλωσης μπαταριών. Οι συσκευές υπερήχων διατίθενται άμεσα σε διάφορα επίπεδα ισχύος, με κατάλληλα παρελκόμενα, όπως κεφαλές υπερήχων και αντιδραστήρες κυψελίδας ροής, και μπορούν να επεξεργάζονται συστατικά μπαταριών διαφόρων μεγεθών και να εξυπηρετούν διαφορετικές παραγωγικές δυναμικότητες, παρέχοντας δυνατότητα κλιμάκωσης και προσαρμοστικότητα στις διαδικασίες ανακύκλωσης.
- Συνεργιστική ενσωμάτωση: Η εκχύλιση με υπερήχους μπορεί να ενσωματωθεί σε υπάρχουσες γραμμές υδρομεταλλουργικής ανακύκλωσης μπαταριών, ώστε να εντατικοποιηθεί και να βελτιωθεί η υδρομεταλλουργική εκχύλιση πολύτιμων μετάλλων και υλικών από χρησιμοποιημένες μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Συνολικά, η ανακύκλωση μπαταριών με υπερήχους παρουσιάζει προοπτικές ως μια πιο φιλική προς το περιβάλλον, αποδοτική και επιλεκτική μέθοδος σε σύγκριση με τις παραδοσιακές πυρομεταλλουργικές και υδρομεταλλουργικές προσεγγίσεις.
Ισχυρή σπηλαίωση υπερήχων στο Hielscher Cascatrode
Βιομηχανική εκχύλιση με υπερήχους για την ανάκτηση μετάλλων από χρησιμοποιημένες μπαταρίες
Η εκχύλιση με υπερήχους και η εξαγωγή μετάλλων μπορούν να εφαρμοστούν σε διαδικασίες ανακύκλωσης μπαταριών οξειδίου λιθίου-κοβαλτίου (π.χ. από φορητούς υπολογιστές, έξυπνα τηλέφωνα κ.λπ.), καθώς και σύνθετων μπαταριών λιθίου-νικελίου-μαγγανίου-κοβαλτίου (π.χ. από ηλεκτρικά οχήματα).
Οι υπέρηχοι υψηλής ισχύος είναι ευρέως γνωστοί για την ικανότητά τους να επεξεργάζονται χημικά υγρά και πολφούς, ώστε να βελτιώνουν τη μεταφορά μάζας και να εκκινούν χημικές αντιδράσεις.
Οι έντονες επιδράσεις της κατεργασίας με υπερήχους ισχύος βασίζονται στο φαινόμενο της ακουστικής σπηλαίωσης. Με τη σύζευξη υπερήχων υψηλής ισχύος σε υγρά / πολφούς, τα εναλλασσόμενα κύματα χαμηλής και υψηλής πίεσης στα υγρά δημιουργούν μικρές φυσαλίδες κενού. Οι μικρές κοιλότητες κενού μεγαλώνουν κατά τη διάρκεια διαδοχικών κύκλων χαμηλής / υψηλής πίεσης, μέχρι να καταρρεύσουν βίαια. Οι καταρρέουσες φυσαλίδες κενού μπορούν να θεωρηθούν μικροαντιδραστήρες, στους οποίους θερμοκρασίες έως 5000K, πιέσεις έως 1000atm και ρυθμοί θέρμανσης και ψύξης άνω των 10-10 παρατηρούνται. Επιπλέον, δημιουργούνται ισχυρές υδροδυναμικές δυνάμεις διάτμησης και πίδακες υγρού με ταχύτητα έως 280m/s. Αυτές οι ακραίες συνθήκες ακουστικής σπηλαίωσης δημιουργούν εξαιρετικές φυσικές και χημικές συνθήκες σε κατά τα άλλα ψυχρά υγρά και διαμορφώνουν ένα ευνοϊκό περιβάλλον για χημικές αντιδράσεις (η λεγόμενη ηχοχημεία).
Εκχύλιση μετάλλων με υπερήχους από απόβλητα εξαντλημένων μπαταριών.
Το μεγάλο πλεονέκτημα της έκπλυσης με υπερήχους και της ανάκτησης μετάλλων είναι ο ακριβής έλεγχος των παραμέτρων της διεργασίας, όπως το πλάτος ταλάντωσης, η πίεση και η θερμοκρασία. Αυτές οι παράμετροι επιτρέπουν την ακριβή προσαρμογή των συνθηκών αντίδρασης στο μέσο της διεργασίας και στο επιδιωκόμενο αποτέλεσμα. Επιπλέον, η έκπλυση με υπερήχους απομακρύνει ακόμη και τα μικρότερα μεταλλικά σωματίδια από το υπόστρωμα, διατηρώντας παράλληλα τις μικροδομές. Η ενισχυμένη ανάκτηση μετάλλων οφείλεται στη δημιουργία ιδιαίτερα δραστικών επιφανειών μέσω υπερήχων, στις αυξημένες ταχύτητες αντίδρασης και στη βελτιωμένη μεταφορά μάζας. Οι διεργασίες κατεργασίας με υπερήχους μπορούν να βελτιστοποιηθούν μέσω της ρύθμισης κάθε παραμέτρου και, επομένως, είναι όχι μόνο πολύ αποτελεσματικές αλλά και ιδιαίτερα αποδοτικές ενεργειακά.
Ο ακριβής έλεγχος των παραμέτρων και η ενεργειακή αποδοτικότητα καθιστούν την έκπλυση με υπερήχους την ευνοϊκή και υπερέχουσα τεχνική – ιδιαίτερα σε σύγκριση με τις περίπλοκες τεχνικές όξινης έκπλυσης και χηλίωσης.
Ανάκτηση με υπερήχους LiCoO2 από χρησιμοποιημένες μπαταρίες ιόντων λιθίου
Η κατεργασία με υπερήχους υποβοηθά την αναγωγική έκπλυση και τη χημική καταβύθιση, οι οποίες χρησιμοποιούνται για την ανάκτηση του Li ως Li2CO3 και του Co ως Co(OH)2 από απόβλητες μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Οι Zhang et al. (2014) αναφέρουν την επιτυχή ανάκτηση LiCoO2 με χρήση αντιδραστήρα υπερήχων. Για την παρασκευή του αρχικού διαλύματος των 600mL, τοποθέτησαν 10g ακατάλληλης προς χρήση σκόνης LiCoO2 σε ποτήρι ζέσεως και πρόσθεσαν διάλυμα LiOH συγκέντρωσης 2,0mol/L, αναμειγνύοντας τα υλικά.
Το μείγμα χύθηκε για να υποβληθεί σε υπερηχητική ακτινοβόληση και τέθηκε σε λειτουργία η συσκευή ανάδευσης, η οποία είχε τοποθετηθεί στο εσωτερικό του δοχείου αντίδρασης. Θερμάνθηκε στους 120◦C και στη συνέχεια η συσκευή υπερήχων ρυθμίστηκε στα 800W και ο τρόπος λειτουργίας των υπερήχων ρυθμίστηκε σε παλμικούς κύκλους λειτουργίας 5 sec. ΕΝΕΡΓΟ / 2sec. ΑΝΕΝΕΡΓΟ. Η υπερηχητική ακτινοβόληση εφαρμόστηκε για 6h και στη συνέχεια το μείγμα της αντίδρασης ψύχθηκε σε θερμοκρασία δωματίου. Το στερεό υπόλειμμα πλύθηκε αρκετές φορές με απιονισμένο νερό και ξηράνθηκε στους 80◦C μέχρι σταθερού βάρους. Το δείγμα που προέκυψε συλλέχθηκε για μεταγενέστερες δοκιμές και παραγωγή μπαταριών. Η χωρητικότητα φόρτισης στον πρώτο κύκλο είναι 134,2mAh/g και η χωρητικότητα εκφόρτισης είναι 133,5mAh/g. Η απόδοση της πρώτης φόρτισης και εκφόρτισης ήταν 99,5%. Μετά από 40 κύκλους, η χωρητικότητα εκφόρτισης παραμένει στα 132,9mAh/g. (Zhang et al. 2014)
Χρησιμοποιημένοι κρύσταλλοι LiCoO2 πριν (a) και μετά (b) την κατεργασία με υπερήχους στους 120◦C για 6h.
Μελέτη και εικόνες: ©Zhang et al. 2014
Η έκπλυση με υπερήχους 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 αποδοτικότερη με κιτρικό οξύ από ό,τι με τα ανόργανα οξέα H2SO4 και HCl. Ανακτήθηκε περισσότερο από το 96% του Co και σχεδόν το 100% του Li από χρησιμοποιημένες μπαταρίες ιόντων λιθίου. Το γεγονός ότι τα οργανικά οξέα, όπως το κιτρικό οξύ και το οξικό οξύ, είναι οικονομικά και βιοαποικοδομήσιμα συμβάλλει σε περαιτέρω οικονομικά και περιβαλλοντικά πλεονεκτήματα της κατεργασίας με υπερήχους.
Βιομηχανικοί υπέρηχοι υψηλής ισχύος για την έκπλυση μετάλλων από χρησιμοποιημένες μπαταρίες
Η Hielscher Ultrasonics είναι ο προμηθευτής σας με πολυετή εμπειρία σε ιδιαίτερα αποδοτικά και αξιόπιστα συστήματα υπερήχων, τα οποία παρέχουν την απαιτούμενη ισχύ για την εκχύλιση μετάλλων από απόβλητα υλικά. Για την επανεπεξεργασία μπαταριών ιόντων λιθίου μέσω της εξαγωγής μετάλλων όπως το κοβάλτιο, το λίθιο, το νικέλιο και το μαγγάνιο, είναι απαραίτητα ισχυρά και ανθεκτικά συστήματα υπερήχων. Οι βιομηχανικές μονάδες της Hielscher Ultrasonics, όπως οι UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) και UIP16000 (16kW), είναι τα ισχυρότερα και ανθεκτικότερα συστήματα υπερήχων υψηλών επιδόσεων στην αγορά. Όλες οι βιομηχανικές μονάδες μας μπορούν να λειτουργούν συνεχώς με πολύ υψηλά πλάτη ταλάντωσης έως και 200µm σε λειτουργία 24/7. Για ακόμη υψηλότερα πλάτη ταλάντωσης, διατίθενται ηχοτρόδια υπερήχων κατασκευασμένα σύμφωνα με τις απαιτήσεις του πελάτη. Η ανθεκτικότητα του εξοπλισμού υπερήχων της Hielscher επιτρέπει τη λειτουργία 24/7 υπό βαριά καταπόνηση και σε απαιτητικά περιβάλλοντα. Η Hielscher παρέχει επίσης ειδικά ηχοτρόδια και αντιδραστήρες για υψηλές θερμοκρασίες, υψηλές πιέσεις και διαβρωτικά υγρά. Αυτό καθιστά τις βιομηχανικές συσκευές υπερήχων μας εξαιρετικά κατάλληλες για τεχνικές εξαγωγικής μεταλλουργίας, π.χ. υδρομεταλλουργικές κατεργασίες.
Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας:
| Όγκος παρτίδας | Παροχή | Συνιστώμενες συσκευές |
|---|---|---|
| 0,1 έως 20L | 0,2 έως 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 έως 100L | 2 έως 10L/min | UIP4000hdT |
| 20 έως 200L | 4 έως 20L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 έως 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | μεγαλύτερη | συστοιχία από UIP16000 |
Χρήσιμες πληροφορίες
Μπαταρίες ιόντων λιθίου
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου (LIB) είναι ο συλλογικός όρος για τις (επαναφορτιζόμενες) μπαταρίες που προσφέρουν υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και ενσωματώνονται συχνά σε καταναλωτικά ηλεκτρονικά είδη, όπως ηλεκτρικά αυτοκίνητα, υβριδικά αυτοκίνητα, φορητούς υπολογιστές, κινητά τηλέφωνα, iPods κ.λπ. Σε σύγκριση με άλλες παραλλαγές επαναφορτιζόμενων μπαταριών με παρόμοιο μέγεθος και χωρητικότητα, οι LIB είναι σημαντικά ελαφρύτερες.
Σε αντίθεση με την πρωτογενή μπαταρία λιθίου μίας χρήσης, μια LIB χρησιμοποιεί ως ηλεκτρόδιο ένωση λιθίου με παρεμβολή αντί για μεταλλικό λίθιο. Τα κύρια συστατικά μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου είναι τα ηλεκτρόδιά της – η άνοδος και η κάθοδος – και ο ηλεκτρολύτης.
Τα περισσότερα στοιχεία έχουν κοινά εξαρτήματα όσον αφορά τον ηλεκτρολύτη, τον διαχωριστή, τα φύλλα και το περίβλημα. Η κύρια διαφορά μεταξύ των τεχνολογιών στοιχείων είναι το υλικό που χρησιμοποιείται ως «ενεργά υλικά», όπως η κάθοδος και η άνοδος. Ο γραφίτης είναι το υλικό που χρησιμοποιείται συχνότερα ως άνοδος, ενώ η κάθοδος κατασκευάζεται από LiMO2 με στρωματική δομή (M = Mn, Co και Ni), σπινέλιο LiMn2O4 ή ολιβίνη LiFePO4. Ο ηλεκτρολύτης, δηλαδή οι οργανικοί υγροί ηλεκτρολύτες (π.χ. άλας LiPF6 διαλυμένο σε μείγμα οργανικών διαλυτών, όπως ανθρακικό αιθυλένιο (EC), ανθρακικό διμεθύλιο (DMC), ανθρακικό διαιθύλιο (DEC), ανθρακικό αιθυλομεθύλιο (EMC) κ.λπ.), επιτρέπει την κίνηση των ιόντων.
Ανάλογα με τα υλικά του θετικού ηλεκτροδίου (καθόδου) και του αρνητικού ηλεκτροδίου (ανόδου), η ενεργειακή πυκνότητα και η τάση των LIB μεταβάλλονται αντίστοιχα.
Όταν χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρικά οχήματα, χρησιμοποιείται συχνά ο όρος μπαταρία ηλεκτρικού οχήματος (EVB) ή μπαταρία έλξης. Τέτοιες μπαταρίες έλξης χρησιμοποιούνται σε περονοφόρα ανυψωτικά οχήματα, ηλεκτρικά αμαξίδια γκολφ, μηχανές πλύσης δαπέδων, ηλεκτρικές μοτοσικλέτες, ηλεκτρικά αυτοκίνητα, φορτηγά, ημιφορτηγά και άλλα ηλεκτρικά οχήματα.
Ανακύκλωση μετάλλων από χρησιμοποιημένες μπαταρίες ιόντων λιθίου
Σε σύγκριση με άλλους τύπους μπαταριών που συχνά περιέχουν μόλυβδο ή κάδμιο, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου περιέχουν λιγότερο τοξικά μέταλλα και επομένως θεωρούνται φιλικές προς το περιβάλλον. Ωστόσο, η τεράστια ποσότητα χρησιμοποιημένων μπαταριών ιόντων λιθίου, οι οποίες θα πρέπει να απορριφθούν ως χρησιμοποιημένες μπαταρίες από ηλεκτρικά αυτοκίνητα, δημιουργεί πρόβλημα αποβλήτων. Επομένως, είναι απαραίτητος ένας κλειστός κύκλος ανακύκλωσης των μπαταριών ιόντων λιθίου. 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.
Παρόλο που κυκλοφορούν στην αγορά μπαταρίες με υψηλότερη περιεκτικότητα σε νικέλιο, δεν είναι δυνατή η παραγωγή μπαταριών χωρίς κοβάλτιο. Η υψηλότερη περιεκτικότητα σε νικέλιο έχει ένα τίμημα: Με την αύξηση της περιεκτικότητας σε νικέλιο, η σταθερότητα της μπαταρίας μειώνεται και, κατά συνέπεια, μειώνονται η διάρκεια ζωής της σε κύκλους και η δυνατότητα ταχείας φόρτισης.
Η αυξανόμενη ζήτηση για μπαταρίες ιόντων λιθίου απαιτεί αύξηση της δυναμικότητας ανακύκλωσης αποβλήτων μπαταριών.
Διαδικασία ανακύκλωσης
Οι μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων όπως το Tesla Roadster έχουν διάρκεια ζωής περίπου 10 ετών.
Η ανακύκλωση εξαντλημένων μπαταριών ιόντων λιθίου είναι μια απαιτητική διαδικασία, καθώς περιλαμβάνει υψηλή τάση και επικίνδυνες χημικές ουσίες, γεγονός που συνεπάγεται κινδύνους θερμικής διαφυγής, ηλεκτροπληξίας και εκπομπής επικίνδυνων ουσιών.
Για να δημιουργηθεί ένας κλειστός κύκλος ανακύκλωσης, πρέπει να διασπαστεί κάθε χημικός δεσμός και όλα τα στοιχεία να διαχωριστούν στα επιμέρους κλάσματά τους. Ωστόσο, η ενέργεια που απαιτείται για έναν τέτοιο κλειστό κύκλο ανακύκλωσης είναι πολύ δαπανηρή. Τα πολυτιμότερα υλικά προς ανάκτηση είναι μέταλλα όπως Ni, Co, Cu, Li κ.λπ., καθώς το υψηλό κόστος εξόρυξης και οι υψηλές τιμές αγοράς των μεταλλικών συστατικών καθιστούν την ανακύκλωση οικονομικά ελκυστική.
Η διαδικασία ανακύκλωσης των μπαταριών ιόντων λιθίου ξεκινά με την αποσυναρμολόγηση και την εκφόρτιση των μπαταριών. Πριν από το άνοιγμα της μπαταρίας, απαιτείται παθητικοποίηση για την αδρανοποίηση των χημικών ουσιών που περιέχει. Η παθητικοποίηση μπορεί να επιτευχθεί με κρυογενική κατάψυξη ή ελεγχόμενη οξείδωση. Ανάλογα με το μέγεθος της μπαταρίας, οι μπαταρίες μπορούν να αποσυναρμολογηθούν και να διαχωριστούν έως το επίπεδο του στοιχείου. Μετά την αποσυναρμολόγηση και τη θραύση, τα συστατικά απομονώνονται με διάφορες μεθόδους (π.χ. διαλογή, κοσκίνιση, χειροδιαλογή, μαγνητικό, υγρό και βαλλιστικό διαχωρισμό), ώστε να απομακρυνθούν τα περιβλήματα των στοιχείων, το αλουμίνιο, ο χαλκός και τα πλαστικά από τη σκόνη των ηλεκτροδίων. Ο διαχωρισμός των υλικών των ηλεκτροδίων είναι απαραίτητος για τις επόμενες διεργασίες, π.χ. την υδρομεταλλουργική επεξεργασία.
Πυρόλυση
Για την πυρολυτική επεξεργασία, οι τεμαχισμένες μπαταρίες τήκονται σε κλίβανο όπου προστίθεται ασβεστόλιθος ως παράγοντας σχηματισμού σκωρίας.
Υδροθερμικές διεργασίες
Η υδρομεταλλουργική επεξεργασία βασίζεται σε αντιδράσεις με οξέα, ώστε τα άλατα να κατακρημνίζονται ως μέταλλα. Οι συνήθεις υδρομεταλλουργικές διεργασίες περιλαμβάνουν έκπλυση, κατακρήμνιση, ιοντοανταλλαγή, εκχύλιση με διαλύτη και ηλεκτρόλυση υδατικών διαλυμάτων.
Το πλεονέκτημα της υδροθερμικής επεξεργασίας είναι η υψηλή απόδοση ανάκτησης +95% των Ni και Co ως αλάτων, ενώ μπορεί να κατακρημνιστεί +90% του Li και το υπόλοιπο μπορεί να ανακτηθεί έως και κατά +80%.
Ειδικά το κοβάλτιο αποτελεί κρίσιμο συστατικό στις καθόδους μπαταριών ιόντων λιθίου για εφαρμογές υψηλής ενέργειας και ισχύος.
Τα σημερινά υβριδικά αυτοκίνητα, όπως το Toyota Prius, χρησιμοποιούν μπαταρίες νικελίου–υδριδίου μετάλλου, οι οποίες αποσυναρμολογούνται, εκφορτίζονται και ανακυκλώνονται με παρόμοιο τρόπο με τις μπαταρίες ιόντων λιθίου.
Βιβλιογραφία/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 κατεργασία με υπερήχους από το εργαστήριο και τις επιτραπέζιες εφαρμογές έως τη βιομηχανική παραγωγή.