Ultraheli liitiumioonakude ringlussevõtuks

• Elektriautodes kasutatavad liitiumioonakud on just nüüd jõudmas massiturule ja koos sellega tuleb arendada ringlussevõtu võimekust.
• Ultraheli leostumine on tõhus ja keskkonnasõbralik meetod metallide, näiteks Li, Mg, Co, Ni jne taastamiseks kasutatud Li-ioonakudest.
• Hielscheri tööstuslikud ultraheli süsteemid leostumisrakenduste jaoks on usaldusväärsed ja tugevad ning neid saab hõlpsasti integreerida olemasolevatesse ringlussevõtuettevõtetesse.

Liitiumioonakude ringlussevõtt

Liitium-ioonakusid kasutatakse laialdaselt elektrisõidukites (EV), sülearvutites ja mobiiltelefonides. See tähendab, et kasutatud liitiumioonakud on praegune probleem seoses jäätmekäitluse ja ringlussevõtuga. Akud on elektrisõidukite peamine kulutegur ja ka nende kõrvaldamine on kallis. Keskkonna- ja majanduslikud aspektid soodustavad suletud ringlussevõtuahelat, kuna patareijäätmed sisaldavad väärtuslikke materjale ja aitavad vähendada liitiumioonakude tootmise süsinikujalajälge.
Liitiumioonakude ringlussevõtt kasvab jõudsalt arenevaks tööstussektoriks, et tagada haruldaste muldmetallide ja muude patareide ja akude komponentide kättesaadavus tulevikus ning vähendada kaevandamise keskkonnakulusid.

Pürometallurgiline ja hüdrometallurgiline ringlussevõtt vs ultraheli aku ringlussevõtt

Allpool võrdleme pürometallurgiliste ja hüdrometallurgiliste protsesside tavapäraseid meetodeid ultraheli leostumistehnikaga eeliste ja puuduste osas.

Tavapärase aku ringlussevõtu puudused

Liitiumioonakude ringlussevõtuks kasutatavate traditsiooniliste meetodite hulka kuuluvad pürometallurgilised ja hüdrometallurgilised protsessid.
 
Pürometallurgilised meetodid hõlmavad kõrge temperatuuriga protsesse, nagu sulatamine või põletamine. Patareid allutatakse äärmuslikule kuumusele, põhjustades orgaaniliste komponentide põletamise ja ülejäänud metallkomponendid sulatatakse ja eraldatakse. Nendel meetoditel on siiski mõned puudused:

• Keskkonnamõju: Pürometallurgilised protsessid paiskavad atmosfääri kahjulikke heitmeid ja saasteaineid, mis suurendavad õhusaastet ja võivad ohustada tervist.
• Materjalide kadu: Kõrge temperatuuriga protsessid võivad põhjustada väärtuslike materjalide ja metallide kadu termilise lagunemise tõttu, vähendades üldist taastumiskiirust.
• Energiamahukas: Need meetodid nõuavad tavaliselt märkimisväärset energiasisendit, mis suurendab tegevuskulusid ja keskkonnajalajälge.

 
Hüdrometallurgilised meetodid Aku komponentide lahustamiseks ja väärtuslike metallide eraldamiseks hõlmab keemilist leostumist. Kuigi see on keskkonnasõbralikum kui pürometallurgilised meetodid, on hüdrometallurgial oma puudused:

• Keemiline kasutamine: Leostumiseks on vaja tugevaid happeid või muid söövitavaid kemikaale, mis tekitab muret kemikaalide käitlemise, jäätmekäitluse ja võimaliku keskkonna saastumise pärast.
• Selektiivsuse väljakutsed: Soovitud metallide selektiivse leostumise saavutamine võib olla keeruline, mis toob kaasa madalamad taaskasutusmäärad ja väärtuslike ressursside võimaliku kadumise.

 

Ultraheli aku leostumise eelised tavapäraste tehnikate ees

Võrreldes nii pürometallurgiliste kui ka hüdrometallurgiliste ringlussevõtu tehnikatega konkureerib ultraheli aku ringlussevõtu tehnika erinevate eeliste tõttu:

1. Suurem tõhusus: Ultraheli ultrahelitöötlus võib kiirendada aku materjalide lagunemist, mille tulemuseks on lühemad töötlemisajad ja suurem üldine efektiivsus.
2. Paremad taastumismäärad: Ultraheli kavitatsiooni kontrollitud rakendamine suurendab aku komponentide lagunemist, suurendades väärtuslike metallide taaskasutusmäärasid.
3. Keskkonnasõbralik: Ultraheli ringlussevõtt vähendab sõltuvust kõrgetest temperatuuridest ja karmidest kemikaalidest, minimeerides keskkonnamõju ja vähendades saasteainete heitkoguseid.
4. Selektiivne leostumine: Ultraheli kontrollitud rakendamine võimaldab aku konkreetsete komponentide sihipärast katkestamist, eraldades need tõhusalt. Kuna erinevad ringlussevõetavad akuühendid eemaldatakse lahustatud konkreetsete ultraheli intensiivsustega, võimaldavad optimeeritud töötlemisparameetrid üksikute materjalide selektiivset leostumist. See hõlbustab väärtuslike metallide ja materjalide tõhusat eraldamist.
5. Väiksem energiatarbimine: Võrreldes mõlemaga, hüdrometallurgiliste ja eriti pürometallurgiliste meetoditega, on ultraheli ringlussevõtt üldiselt energiatõhusam, mis toob kaasa madalamad tegevuskulud ja väiksema süsiniku jalajälje.
6. Mastaapsus ja paindlikkus: Ultraheli süsteeme saab hõlpsasti suurendada või vähendada, et mahutada erinevaid aku suurusi ja tootmisvõimsusi. Lisaks saab aku ringlussevõtu ultrasonikaatoreid hõlpsasti integreerida juba olemasolevatesse aku ringlussevõtu rajatistesse. Kergesti saadaval erinevatel võimsusskaaladel ja sobivatel tarvikutel, nagu ultraheli sondid ja vooluelemendi reaktorid, saavad ultrasonikaatorid käsitseda patareide komponente erineva suuruse ja tootmisvõimsusega, pakkudes mastaapsust ja kohanemisvõimet ringlussevõtu protsessides.
7. Sünergiline integratsioon: Ultraheli leostumist saab integreerida olemasolevatesse hüdrometallurgiliste akude ringlussevõtu liinidesse, et intensiivistada ja parandada kasutatud liitiumioonakude väärtuslike metallide ja materjalide hüdrometallurgilist leostumist.

Üldiselt näitab ultraheli aku ringlussevõtt lubadust kui keskkonnasõbralikumat, tõhusamat ja selektiivsemat meetodit võrreldes traditsiooniliste pürometallurgiliste ja hüdrometallurgiliste lähenemisviisidega.

 

Tööstuslik ultraheli leostumine metallide taaskasutamiseks kasutatud patareidest

Ultraheli leostumist ja metalli ekstraheerimist saab rakendada liitiumkoobaltoksiid akude (nt sülearvutitest, nutitelefonidest jne), samuti komplekssete liitium-nikkel-mangaan-koobaltpatareide (nt elektrisõidukitest) ringlussevõtuprotsessides.
Suure võimsusega ultraheli on tuntud oma võime kohta töödelda keemilisi vedelikke ja läga, et parandada massiülekannet ja algatada keemilisi reaktsioone.
Võimsuse ultraheli intensiivsed mõjud põhinevad akustilise kavitatsiooni nähtusel. Suure võimsusega ultraheli ühendamisel vedelikesse / lägadesse tekitavad vedelike vahelduvad madala rõhu ja kõrgsurve lained väikesed vaakummullid. Väikesed vaakumi tühimikud kasvavad erinevate madala rõhu / kõrgsurve tsüklite jooksul, kuni implode ägedalt. Kokkuvarisevaid vaakummulle võib pidada mikroreaktoriteks, mille temperatuur on kuni 5000K, rõhk kuni 1000atm ning kütte- ja jahutuskiirus üle 10^-10 esinema. Lisaks tekivad tugevad hüdrodünaamilised nihkejõud ja vedelikujoad kiirusega kuni 280 m/s. Need akustilise kavitatsiooni äärmuslikud tingimused loovad muidu külmades vedelikes erakordsed füüsikalised ja keemilised tingimused ning loovad soodsa keskkonna keemilisteks reaktsioonideks (nn. Sonochemistry).

Ultraheli genereeritud kavitatsioon võib indutseerida lahustunud ainete termolüüsi, samuti väga reaktiivsete radikaalide ja reaktiivide moodustumist, nagu vabad radikaalid, hüdroksiidioonid (•OH,) hüdronium (H₃O+) jne, mis tagavad vedelikus erakordsed reaktiivsed tingimused, nii et reaktsioonikiirus suureneb oluliselt. Tahkeid osakesi, näiteks osakesi, kiirendavad vedelikujoad ja need jahvatatakse spetsiaalsete kokkupõrgete ja hõõrdumise teel, suurendades aktiivset pindala ja seeläbi massiülekannet.
Ultraheli leostumise ja metallide taaskasutamise suur eelis on täpne kontroll protsessi parameetrite üle, nagu amplituud, rõhk ja temperatuur. Need parameetrid võimaldavad reaktsioonitingimusi täpselt kohandada protsessikeskkonnale ja sihitud väljundile. Lisaks eemaldab ultraheli leostumine substraadist isegi kõige väiksemad metalliosakesed, säilitades samal ajal mikrostruktuurid. Suurenenud metallide taaskasutamine on tingitud väga reaktiivsete pindade ultraheli loomisest, suurenenud reaktsioonikiirustest ja paremast massitranspordist. Sonikatsiooniprotsesse saab optimeerida, mõjutades iga parameetrit ja on seetõttu mitte ainult väga tõhusad, vaid ka väga energiatõhusad.
Selle täpne parameetrite kontroll ja energiatõhusus muudavad ultraheli leostumise soodsaks ja silmapaistvaks tehnikaks – eriti võrreldes keeruliste happe leostumise ja kelaatimise tehnikatega.

LiCoO ultraheli taastamine₂ kasutatud liitiumioonakudest

Ultraheli aitab redutseerida leostumist ja keemilist sadestumist, mida kasutatakse Li taastamiseks Li-na₂KAAS₃ ja Co kui Co(OH)₂ liitium-ioonakude jäätmetest.
(2014) teatavad LiCoO edukast taastumisest₂ ultraheli reaktori kasutamine. 600mL lähtelahuse valmistamiseks panid nad 10g kehtetut LiCoO-d₂ pulber keeduklaasis ja lisati 2,0mol/l LiOH lahust, mis segati.
Segu valati ultraheli kiiritusse ja segamisseade algas, segamisseade asetati reaktsioonimahuti sisemusse. See kuumutati temperatuurini 120◦C ja seejärel Ultraheli seade oli seatud väärtusele 800W ja ultraheli toimerežiim oli seatud impulss-töötsüklitele 5 sek. ON / 2sec. OFF. Ultraheli kiiritust rakendati 6h ja seejärel jahutati reaktsioonisegu toatemperatuurini. Tahket jääki pesti mitu korda deioniseeritud veega ja kuivatati 80 ° C juures kuni konstantse kaaluni. Saadud proov koguti järgnevaks testimiseks ja aku tootmiseks. Laadimisvõimsus esimeses tsüklis on 134,2mAh/g ja tühjendusvõimsus 133,5mAh/g. Esmakordne laadimise ja tühjendamise efektiivsus oli 99,5%. Pärast 40 tsüklit on tühjendusvõimsus endiselt 132,9 mAh/g. (Zhang et al. 2014)
 

 
Ultraheli leostumine orgaaniliste hapetega, nagu sidrunhape, ei ole mitte ainult tõhus, vaid ka keskkonnasõbralik. Uuringud näitasid, et Co ja Li leostumine on sidrunhappega tõhusam kui anorgaaniliste hapete H2SO4 ja HCl puhul. Rohkem kui 96% Co ja peaaegu 100% Li saadi kasutatud liitiumioonakudest. Asjaolu, et orgaanilised happed, nagu sidrunhape ja äädikhape, on odavad ja biolagunevad, aitavad kaasa ultrahelitöötluse täiendavatele majanduslikele ja keskkonnaalastele eelistele.

Suure võimsusega tööstuslikud ultrahelid metallide leostumiseks kasutatud patareidest

Hielscher Ultrasonics on teie pikaajalise kogemusega tarnija väga tõhusate ja usaldusväärsete ultraheli süsteemide jaoks, mis annavad vajaliku võimsuse metallide leostumiseks jäätmematerjalidest. Li-ioonakude ümbertöötlemiseks metallide, näiteks koobalti, liitiumi, nikli ja mangaani ekstraheerimise teel on olulised võimsad ja tugevad ultraheli süsteemid. Hielscher Ultrasonics tööstusüksused nagu UIP4000hdT (4kW), UIP6000hdT (6kW), UIP10000 (10kW) ja UIP16000 (16kW) on kõige võimsamad ja tugevamad suure jõudlusega ultraheli süsteemid turul. Kõiki meie tööstusüksusi saab pidevalt käitada väga kõrge amplituudiga kuni 200 μm 24/7 operatsioonis. Veelgi suuremate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid. Hielscheri ultraheli seadmete töökindlus võimaldab 24/7 operatsiooni raskeveokite ja nõudlikes keskkondades. Hielscher tarnib spetsiaalseid sonotroode ja reaktoreid ka kõrgete temperatuuride, rõhkude ja söövitavate vedelike jaoks. See muudab meie tööstuslikud ultrasonikaatorid kõige sobivamaks kaevandavate metallurgiatehnikate jaoks, nt hüdrometallurgilised ravimeetodid.

Allolev tabel annab teile ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest:

---

---

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.