Liitiumioonakude ringlussevõtu ultraheliuuringud
- Elektriautodes kasutatavad liitium-ioonpatareid lähevad massiturule äsja ja sellega tuleb arendada ka ringlussevõtu võimekust.
- Ultraheli leostumine on efektiivne ja keskkonnasõbralik tehnika, mis võimaldab kulutada kasutatud liitiumioonaknadest selliseid metalli nagu Li, Mg, Co, Ni jne.
- Hielscheri tööstuslikud ultraheli süsteemid rakenduste leostumise jaoks on usaldusväärsed ja vastupidavad ning neid saab kergesti integreerida olemasolevatesse ringlussevõtuettevõtetesse.
Liitium-ioonpatareide ringlussevõtt
Liitium-ioonpatareid on laialdaselt kasutusel elektrisõidukite (EV), sülearvutid ja mobiiltelefonid. See tähendab, et kasutatud liitiumioonakud on jäätmekäitluse ja ringlussevõtuga seotud praegused väljakutsed. Akud on EVT jaoks suur kulujuht ja nende kõrvaldamine on ka kulukas. Keskkonna-ja ökonoomne aspektid lükkama suletud ringlussevõtu tsükli, sest aku raiskamine sisaldab väärtuslikke materjale ning aitab vähendada liitium-ioonakude tootmise süsinikujalajälge.
Liitium-ioonakude taaskasutamine kasvab jõudsalt tootvasse sektorisse, et tagada haruldaste muldmetallide ja muude aku komponentide tulevane kättesaadavus ja kaevandamise keskkonnakulude vähendamine.
Tööstuslik ultraheli leostumine
Ultraheli leostumist ja metallide eemaldamist saab rakendada liitiumkoobaltoksiidpatareide (nt sülearvutitele, nutitelefonidele jne) ringlussevõtuprotsessidele ning keerulistele liitium-nikkel-mangaan-koobaltipatareidele (nt elektrilistele sõidukitele).
Suure võimsusega ultraheliuuring on tuntud oma võime tõttu töödelda keemilisi vedelikke ja läga, et parandada massiülekannet ja algatada keemilisi reaktsioone.
Võimsate ultrasonikatsioonide intensiivne mõju põhineb akustilise kavitatsiooni nähtusel. Suure võimsusega ultraheli ühendamisel vedelike ja lägatena tekitavad vahelduvad madalsurve- ja kõrgsurvestusvedelikud vedelikes väikseid vaakummulle. Väikesed vaakumpuurid kasvavad mitmesuguste madala rõhu / kõrgsurvetsüklite vältel, kuni need on vägivaldsed. Kokkupandavaid vaakummullidena võib lugeda mikrorektoriteks, mille temperatuur on kuni 5000 K, rõhk kuni 1000 a ja kütte ja jahutuse kiirus üle 10-10 esineda Lisaks sellele genereeritakse tugevaid hüdrodünaamilisi nihkejõude ja vedelikujuga kuni 280m / s kiirust. Need akustiliste kavitatsioonide äärmuslikud tingimused tekitavad muidu külmades vedelikes erakordseid füüsikalisi ja keemilisi tingimusi ning loovad keemiliste reaktsioonide jaoks kasuliku keskkonna (Sonokheemia)
48kW ultraheli protsessor
nõudlike rakenduste jaoks, nagu näiteks metallide leostumine
Metallide ultraheli leostumine aku väljavoolust.
Ultraheli leostumise ja metalli taaskasutamise suurepärane eelis on protsesside parameetrite, nagu amplituud, rõhk ja temperatuur, täpne kontroll. Need parameetrid võimaldavad täpselt korrigeerida reaktsioonitingimusi protsessikeskkonnale ja sihitavale väljundile. Pealegi, ultraheli leostumine eemaldab isegi substraadist kõige väiksemad metallosakesed, säilitades samal ajal mikrostruktuurid. Tugevam metalli taastumine on tingitud ultraheli tekitavast väga reageerivatest pindadest, reaktsioonivõime suurenemisest ja parema massi transportimisega. Sõltumatusprotsesse saab optimeerida, mõjutades iga parameetrit ja on seetõttu mitte ainult väga tõhusad, vaid ka väga energiasäästlikud.
Selle täpne parameetrite juhtimine ja energiatõhusus muudavad ultraheli leostumise soodsaks ja suurepäraseks tehnikaks – eriti võrreldes keerulise happe leostumise ja kelaatimisega.
LiCoO ultraheli taastumine2 kasutatud liitium-ioonakudest
Ultraheli leevendamine aitab leevendada ja keemiliselt sadestuda, mida kasutatakse Li lihasisalduseks2CO3 ja Co nagu Co (OH)2 liitium-ioonpatareid.
Zhang jt (2014) teatab LiCoO edukast taastumisest2 ultraheli reaktori abil. 600 ml lähtelahuse valmistamiseks panid nad 10 g kehtetu LiCoO2 keeduklaasi ja lisati 2,0 mol / 1 LiOH lahust, mis segati.
Segu valati ultraheli kiirgustesse ja alustati segamisseadmega, segamisseade asetati reaktsioonimahuti sisemusse. See kuumutati temperatuurini 120 ° C ja siis ultraheli seade määrati 800W ja ultraheli töörežiim seati 5 sekundi pikkusele impulssimütsile. ON / 2sek. VÄLJAS. Ultraheli kiiritamine rakendati 6 tundi ja seejärel reaktsioonisegu jahutati toatemperatuurini. Tahket jääki pesti mitu korda deioniseeritud veega ja kuivatati temperatuuril 80 ° C kuni püsiva massini. Saadud proov koguti järgnevateks katseteks ja aku tootmiseks. Esimeses tsüklis on laadimisvõimsus 134,2 mAh / g ja tühjendusmaht 133,5 mAh / g. Esmakordne laadimis- ja tühjendustõhusus oli 99,5%. Pärast 40 tsüklit on tühjendusmaht veel 132,9 m Ah / g. (Zhang jt, 2014)
Kasutatud LiCoO2 kristallid enne (a) ja pärast (b) ultraheliuuringut temperatuuril 120 ° C 6 tundi. allikas: Zhang et al. 2014
Orgaaniliste hapetega, nagu sidrunhape, ultraheli leostumine ei ole mitte ainult tõhus, vaid ka keskkonnasõbralik. Uuringutes leiti, et Co ja Li leostumine on sidrunhappega tõhusam kui anorgaaniliste hapetega H2SO4 ja HCl. Ligikaudu 96% Co ja ligi 100% Li kogutud kasutatud liitiumioonakudest. Asjaolu, et orgaanilised happed nagu sidrunhape ja äädikhape on odavad ja biolagunevad, aitab kaasa ultrahelitöötluse edasistele majanduslikele ja keskkonnaalastele eelistele.
Suure võimsusega tööstuslikud ultraheliuuringud
Hielscher Ultrasonics on teie pikaajaline tarnija väga efektiivsete ja usaldusväärsete ultraheli süsteemide jaoks, mis annavad nõutava jõu metallide leostamisel jäätmetest. Liia-ioonakude taaskasutamiseks metallide, nagu koobalt, liitium, nikkel ja mangaan, ekstraheerimisega on hädavajalikud võimsad ja kindlad ultraheli süsteemid. Hielscher Ultrasonics’ tööstusüksused nagu UIP4000hdT (4kW), UIP10000 (10kW) ja UIP16000 (16kW) on kõige võimsamad ja jõulised suure jõudlusega ultraheli süsteemid turul. Kõik meie tööstusüksused saavad 24/7 töökorras pidevalt juhtida väga suure amplituudiga kuni 200 μm. Suuremate amplituudide korral on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid. Hielscheri ultraheli seadmete töökindlus võimaldab 24/7 töötamist rasketes tingimustes ja nõudlikes keskkondades. Hielscher tarnib ka kõrgete temperatuuride, rõhkude ja söövitavate vedelike jaoks spetsiaalseid sonotroode ja reaktoreid. See muudab meie tööstuslikud ultrahelikaatorid kõige sobivamaks kaevandamise metallurgia tehnikateks, nt hüdrometallurgilisteks töötlemisviisideks.
Alljärgnev tabel annab teile ülevaate meie ultrahelihitiste ligikaudse töötlemisvõimsusest:
| partii Köide | flow Rate | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 0.1 kuni 20 l | 0.2 kuni 4 l / min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100 l | 2 kuni 10 l / min | UIP4000 |
| e.k. | 10 kuni 100 l / min | UIP16000 |
| e.k. | suurem | klastri UIP16000 |
Faktid Tasub teada
Liitium-ioonakud
Liitium-ioonakud (LIB) on kollektiivne termomeeter (laetavate) patareide jaoks, mis pakuvad suurt energiatõhusust ja on tihti integreeritud tarbeelektroonikasse, nagu elektroonilised autod, hübriidautod, sülearvutid, mobiiltelefonid, iPodid jms. Võrreldes muud sarnase suurusega ja mahtuvusega akude muud variandid on LIB-d oluliselt kergemad.
Erinevalt ühekordselt kasutatavast liitium-primaarakust kasutatakse LIB elektroodi asemel metallilise liitiumi asemel interakendatud liitiumühendit. Peamised elemendid liitium-ioon aku on selle elektroodid – anood ja katood – ja elektrolüüt.
Enamikul rakkudel on elektrolüüdi, separaatori, fooliumi ja korpuse poolest ühised komponendid. Peamine erinevus rakutehnoloogiate vahel on materjal, mida kasutati kui “aktiivsed materjalid” nagu katood ja anood. Graafiit on kõige enam kasutatav anood, samas kui katood on valmistatud kihilisest LiMO2-st (M = Mn, Co ja Ni), spineli LiMn2O4, või olivine LiFePO4. Elektrolüütilised orgaanilised vedelad elektrolüüdid (nt LiPF6 sool, mis on lahustatud orgaaniliste lahustite segus, nagu etüleenkarbonaat (EC), dimetüülkarbonaat (DMC), dietüülkarbonaat (DEC), etüülmetüülkarbonaat (EMC) jne) võimaldab iooniline liikumine.
Sõltuvalt positiivse (katoodi) ja negatiivse (anoodi) elektroodi materjalist sõltub LIB-de energia tihedus ja pinge vastavalt.
Elektrimasinate puhul kasutatakse tihti elektrimootori aku (EVB) või veojõu aku. Selliseid veojõu akusid kasutatakse tõstukitel, elektrilistes golfivarraste, põrandapuhastajate, elektrimootorite, elektriautode, veoautode, kaubikute ja muude elektrisõidukite jaoks.
Kasutatud metalli taaskasutamine kasutatud liitium-ioonakudest
Võrreldes teist tüüpi patareidega, mis sageli sisaldavad pliid või kaadmiumi, sisaldavad liitium-ioonpatareid vähem toksilisi metalle ja neid peetakse seega keskkonnasõbralikuks. Siiski kujutab endast suurt hulka kasutatud liitium-ioonpatareid, mis tuleb elektrisõidukite patareide kasutamisest kõrvaldada. Seetõttu on vajalik liitium-ioonpatareide suletud ringlusring. Majanduslikust vaatepunktist saab uute elementide tootmisel taaskasutada ja taaskasutada selliseid metalli elemente nagu raud, vask, nikkel, koobalt ja liitium. Ringlussevõtt võib tulevase puudujäägi ära hoida.
Kuigi turule tulevad suurema nikli sisaldusega patareid, ei ole võimalik toota patareisid ilma koobaltita. Kõrgem nikli sisaldus on kulutatav: suurendatud nikli sisaldusega vähendab aku stabiilsus ja seega ka tsükli eluiga ja kiire laadimise võime.
Lüli-ioonakude kasvav nõudlus nõuab patareide jäätmete ringlussevõtu võimekuse suurenemist.
Ringlussevõtu protsess
Elektrisõidukite, nagu näiteks Tesla Roadsteri patareid, on ligikaudne eluiga 10 aastat.
Väljatõmbunud litijaakude ringlussevõtt on nõudlik protsess, kuna kaasnevad kõrgepinge ja ohtlikud kemikaalid, mis kaasnevad termilise põgenemise, elektrilöögi ja ohtlike ainete emissiooniga.
Suletud ahela ringlussevõtu loomiseks tuleb iga keemiline side ja kõik elemendid eraldada nende individuaalsetele fraktsioonidele. Kuid selliseks suletud ringlussevõtmiseks vajalik energia on väga kallis. Kõige väärtuslikumad taaskasutamiseks mõeldud materjalid on metallid nagu Ni, Co, Cu, Li jne, sest kallid kaevandused ja metallosade kõrgemad turuhinnad muudavad ringlussevõtu majanduslikult atraktiivseks.
Liitium-ioonpatareide ringlussevõtt algab patareide demonteerimise ja tühjenemisega. Enne aku avamist on akude kemikaalide inaktiveerimiseks vaja passiivatsiooni. Passiivatsiooni saab saavutada krüogeense külmutamise või reguleeritud oksüdatsiooni teel. Sõltuvalt aku suurusest võib patareisid demonteerida ja lahti võtta lahti. Pärast lammutamist ja purustamist eraldatakse komponendid elektroodipulbrist rakkude, alumiiniumi, vase ja plasti eemaldamiseks mitme meetodiga (nt sõelumine, sõelumine, käsitsi koristamine, magnetiline, märg ja ballistiline eraldamine). Elektroodi materjalide eraldamine on vajalik järgnevate protsesside jaoks, nt hüdrometallurgiline töötlemine.
Pürolüüs
Pürolüütilisel töötlemisel lõigatakse tükeldatud akud sulatusahjus, kus lubjakivi lisatakse räbu moodustava vahendina.
Hüdrotermilised protsessid
Hüdrometallurgiline töötlemine põhineb happelistes reaktsioonides, et sadestada soolad metallidena. Tüüpilised hüdrometallurgilised protsessid hõlmavad leket, sadestamist, ioonivahetust, lahustiekstraktsiooni ja vesilahuste elektrolüüsi.
Hüdrotermilise töötlemise eeliseks on kõrge soolasisalduse saagis + 95% Ni ja Co sooladena, 90% Li võib sadestuda ja ülejäänu saab kuni 80%.
Eriti on koobalt kriitiliseks komponendiks liitium-ioonakude katoodides kõrge energia ja energiakandjate jaoks.
Praegused hübriidautod, näiteks Toyota Prius, kasutavad nikkelmetallhüdriidiga akusid, mida demonteeritakse, tühjendatakse ja taaskasutatakse sarnaselt liitium-ioonakudele.
Kirjandus / viited
- 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.
Võimas ultrahelitöötlus laborist ja pinkist kuni tööstuslikuks tootmiseks.