فراصوت برای بازیافت باتری‌های لیتیوم‌یون

• باتری‌های لیتیوم‌یون مورد استفاده در خودروهای برقی تازه در حال ورود به بازار انبوه هستند و هم‌زمان با آن، ظرفیت‌های بازیافت نیز باید توسعه یابند.
• لیچینگ فراصوتی روشی کارآمد و سازگار با محیط‌زیست برای بازیابی فلزاتی مانند Li، Mg، Co، Ni و غیره از باتری‌های لیتیوم‌یون مستعمل است.
• سامانه‌های فراصوتی صنعتی Hielscher برای کاربردهای لیچینگ، قابل‌اعتماد و مستحکم هستند و به‌آسانی می‌توان آن‌ها را در تأسیسات بازیافت موجود ادغام کرد.

بازیافت باتری‌های لیتیوم‌یون

باتری‌های لیتیوم‌یون به‌طور گسترده در وسایل نقلیه برقی (EV)، لپ‌تاپ‌ها و تلفن‌های همراه استفاده می‌شوند. این بدان معناست که باتری‌های لیتیوم‌یون مستعمل، هم‌اکنون چالشی در زمینه مدیریت پسماند و بازیافت هستند. باتری‌ها از عوامل اصلی هزینه در وسایل نقلیه برقی هستند و دفع آن‌ها نیز پرهزینه است. ملاحظات زیست‌محیطی و اقتصادی، ضرورت ایجاد چرخه بسته بازیافت را مطرح می‌کنند، زیرا پسماند باتری حاوی مواد ارزشمندی است و بازیافت آن به کاهش ردپای کربن تولید باتری‌های لیتیوم‌یون کمک می‌کند.
بازیافت باتری‌های لیتیوم‌یون در حال تبدیل‌شدن به بخشی پررونق از صنعت است تا دسترسی آینده به فلزات خاکی کمیاب و سایر اجزای باتری تضمین شود و هزینه‌های زیست‌محیطی معدن‌کاری کاهش یابد.

بازیافت پیرومتالورژیکی و هیدرومتالورژیکی در مقایسه با بازیافت فراصوتی باتری

در ادامه، روش‌های متداول مبتنی بر فرایندهای پیرومتالورژیکی و هیدرومتالورژیکی را از نظر مزایا و معایب با روش لیچینگ فراصوتی مقایسه می‌کنیم.

معایب بازیافت متداول باتری

روش‌های سنتی مورد استفاده برای بازیافت باتری‌های لیتیوم‌یون شامل فرایندهای پیرومتالورژیکی و هیدرومتالورژیکی هستند.
 
روش‌های پیرومتالورژیکی شامل فرایندهای دما‌بالا مانند ذوب یا سوزاندن هستند. باتری‌ها در معرض گرمای بسیار شدید قرار می‌گیرند که باعث سوختن اجزای آلی می‌شود و اجزای فلزی باقی‌مانده ذوب و جدا می‌شوند. بااین‌حال، این روش‌ها معایبی دارند:

• تأثیر زیست‌محیطی: فرایندهای پیرومتالورژیکی مواد مضر و آلاینده‌ها را در جو منتشر می‌کنند و به آلودگی هوا دامن می‌زنند و ممکن است سلامت را به خطر بیندازند.
• اتلاف مواد: فرایندهای دما‌بالا ممکن است به‌دلیل تخریب حرارتی موجب از دست رفتن مواد و فلزات ارزشمند شوند و میزان کلی بازیابی را کاهش دهند.
• مصرف زیاد انرژی: این روش‌ها معمولاً به انرژی ورودی قابل‌توجهی نیاز دارند که هزینه‌های عملیاتی و ردپای زیست‌محیطی را افزایش می‌دهد.

 
روش‌های هیدرومتالورژیکی شامل لیچینگ شیمیایی برای حل‌کردن اجزای باتری و استخراج فلزات ارزشمند هستند. اگرچه هیدرومتالورژی نسبت به روش‌های پیرومتالورژیکی سازگاری بیشتری با محیط‌زیست دارد، معایب خاص خود را نیز دارد:

• مصرف مواد شیمیایی: برای لیچینگ به اسیدهای قوی یا سایر مواد شیمیایی خورنده نیاز است که نگرانی‌هایی درباره کار با مواد شیمیایی، مدیریت پسماند و احتمال آلودگی محیط‌زیست ایجاد می‌کند.
• چالش‌های گزینش‌پذیری: دستیابی به لیچینگ گزینشی فلزات موردنظر می‌تواند دشوار باشد و به کاهش میزان بازیابی و احتمال از دست رفتن منابع ارزشمند بینجامد.

 

مزایای لیچینگ فراصوتی باتری نسبت به روش‌های متداول

روش بازیافت فراصوتی باتری در مقایسه با هر دو روش بازیافت پیرومتالورژیکی و هیدرومتالورژیکی، به‌دلیل مزایای گوناگون عملکرد برتری دارد:

1. افزایش کارایی: فراصوت‌دهی می‌تواند تجزیه مواد باتری را تسریع کند و در نتیجه زمان پردازش را کاهش و کارایی کلی را افزایش دهد.
2. بهبود میزان بازیابی: اعمال کنترل‌شده کاویتاسیون فراصوتی، تجزیه اجزای باتری را تقویت می‌کند و میزان بازیابی فلزات ارزشمند را افزایش می‌دهد.
3. سازگار با محیط‌زیست: بازیافت فراصوتی وابستگی به دماهای بالا و مواد شیمیایی تهاجمی را کاهش می‌دهد و در نتیجه تأثیر زیست‌محیطی را به حداقل می‌رساند و انتشار آلاینده‌ها را کم می‌کند.
4. لیچینگ گزینشی: اعمال کنترل‌شده فراصوت امکان تخریب هدفمند اجزای مشخص درون باتری و جداسازی کارآمد آن‌ها را فراهم می‌کند. از آنجا که ترکیبات مختلف قابل‌بازیافت باتری در شدت‌های مشخص فراصوت جدا و حل می‌شوند، پارامترهای بهینه‌شده پردازش امکان لیچینگ گزینشی هریک از مواد را فراهم می‌کنند. این امر جداسازی کارآمد فلزات و مواد ارزشمند را تسهیل می‌کند.
5. کاهش مصرف انرژی: بازیافت فراصوتی در مقایسه با روش‌های هیدرومتالورژیکی و به‌ویژه پیرومتالورژیکی، عموماً از نظر مصرف انرژی کارآمدتر است و به کاهش هزینه‌های عملیاتی و ردپای کربن می‌انجامد.
6. مقیاس‌پذیری و انعطاف‌پذیری: مقیاس سامانه‌های فراصوتی را می‌توان به‌آسانی افزایش یا کاهش داد تا با اندازه‌های مختلف باتری و ظرفیت‌های گوناگون تولید سازگار شوند. همچنین، سونیکاتورهای بازیافت باتری را می‌توان به‌آسانی در تأسیسات بازیافت باتری موجود ادغام کرد. سونیکاتورها در توان‌های مختلف و با لوازم جانبی متناسب، مانند پروب‌های فراصوتی و راکتورهای سلول جریان، به‌راحتی در دسترس هستند و می‌توانند اجزای باتری با اندازه‌های مختلف را در ظرفیت‌های گوناگون تولید پردازش کنند و مقیاس‌پذیری و انطباق‌پذیری فرایندهای بازیافت را فراهم آورند.
7. ادغام هم‌افزا: لیچینگ فراصوتی را می‌توان در خطوط موجود بازیافت هیدرومتالورژیکی باتری ادغام کرد تا لیچینگ هیدرومتالورژیکی فلزات و مواد ارزشمند از باتری‌های لیتیوم‌یون مستعمل تشدید و بهبود یابد.

در مجموع، بازیافت فراصوتی باتری در مقایسه با رویکردهای سنتی پیرومتالورژیکی و هیدرومتالورژیکی، به‌عنوان روشی سازگارتر با محیط‌زیست، کارآمدتر و گزینشی‌تر نویدبخش است.

 

لیچینگ فراصوتی صنعتی برای بازیابی فلزات از باتری‌های مستعمل

لیچینگ فراصوتی و استخراج فلزات را می‌توان در فرایندهای بازیافت باتری‌های اکسید لیتیوم کبالت (برای مثال، باتری‌های لپ‌تاپ‌ها، تلفن‌های هوشمند و غیره) و نیز باتری‌های پیچیده لیتیوم–نیکل–منگنز–کبالت (برای مثال، باتری‌های وسایل نقلیه برقی) به کار گرفت.
فراصوت پرتوان به‌دلیل قابلیت آن در پردازش مایعات شیمیایی و دوغاب‌ها برای بهبود انتقال جرم و آغاز واکنش‌های شیمیایی، کاملاً شناخته‌شده است.
اثرات شدید فراصوت‌دهی پرتوان بر پدیده کاویتاسیون آکوستیکی استوار است. با انتقال انرژی فراصوت پرتوان به مایعات / دوغاب‌ها، امواج متناوب کم‌فشار و پرفشار در مایع، حباب‌های کوچک خلأ ایجاد می‌کنند. حفره‌های کوچک خلأ طی چندین چرخه کم‌فشار / پرفشار رشد می‌کنند تا سرانجام با شدت به درون فروبپاشند. حباب‌های خلأ در حال فروپاشی را می‌توان ریزراکتورهایی در نظر گرفت که در آن‌ها دماهایی تا 5000K، فشارهایی تا 1000atm و نرخ‌های گرم‌شدن و سردشدن بیش از 10^-10 رخ می‌دهد. افزون بر این، نیروهای برشی هیدرودینامیکی قوی و جت‌های مایع با سرعتی تا 280m/s ایجاد می‌شوند. این شرایط شدید کاویتاسیون آکوستیکی، شرایط فیزیکی و شیمیایی فوق‌العاده‌ای را در مایعاتی ایجاد می‌کند که در حالت عادی سرد هستند و محیطی مساعد برای واکنش‌های شیمیایی فراهم می‌آورد (موسوم به سونوشیمی).

کاویتاسیون ایجادشده با فراصوت می‌تواند موجب گرماکافت مواد حل‌شده و نیز تشکیل رادیکال‌ها و واکنشگرهای بسیار واکنش‌پذیر، مانند رادیکال‌های آزاد، یون‌های هیدروکسید (•OH,) و هیدرونیوم (H₃O+) و غیره شود که شرایط واکنشی فوق‌العاده‌ای در مایع فراهم می‌کنند، به‌طوری‌که سرعت واکنش به‌طور چشمگیری افزایش می‌یابد. جامداتی مانند ذرات، به‌وسیله جت‌های مایع شتاب می‌گیرند و بر اثر برخورد و سایش بین‌ذره‌ای آسیاب می‌شوند؛ این امر سطح فعال و در نتیجه انتقال جرم را افزایش می‌دهد.
مزیت بزرگ لیچینگ فراصوتی و بازیابی فلزات، کنترل دقیق پارامترهای فرایند مانند دامنه، فشار و دما است. این پارامترها امکان تنظیم دقیق شرایط واکنش را متناسب با محیط فرایند و خروجی موردنظر فراهم می‌کنند. افزون بر این، لیچینگ فراصوتی حتی کوچک‌ترین ذرات فلزی را از بستر جدا می‌کند، درحالی‌که ریزساختارها حفظ می‌شوند. بهبود بازیابی فلزات ناشی از ایجاد سطوح بسیار واکنش‌پذیر با فراصوت، افزایش سرعت واکنش‌ها و بهبود انتقال جرم است. فرایندهای فراصوت‌دهی را می‌توان با تنظیم هریک از پارامترها بهینه کرد؛ بنابراین این فرایندها نه‌تنها بسیار مؤثر، بلکه از نظر مصرف انرژی نیز بسیار کارآمد هستند.
کنترل دقیق پارامترها و بهره‌وری انرژی، لیچینگ فراصوتی را به روشی مطلوب و برتر تبدیل می‌کند – به‌ویژه در مقایسه با روش‌های پیچیده لیچینگ اسیدی و کلاته‌سازی.

بازیابی فراصوتی LiCoO₂ از باتری‌های لیتیوم‌یون مستعمل

فراصوت‌دهی به لیچینگ احیایی و رسوب‌دهی شیمیایی کمک می‌کند؛ این فرایندها برای بازیابی Li به‌صورت Li₂CO₃ و Co به‌صورت Co(OH)₂ از باتری‌های لیتیوم‌یون ضایعاتی به کار می‌روند.
Zhang et al. (2014) بازیابی موفقیت‌آمیز LiCoO₂ را با استفاده از یک راکتور فراصوتی گزارش کرده‌اند. برای تهیه محلول اولیه به حجم 600mL، آن‌ها 10g از پودر غیرقابل‌استفاده LiCoO₂ را در یک بشر قرار دادند و محلول LiOH با غلظت 2٫0mol/L به آن افزودند و مخلوط کردند.
مخلوط به بخش تابش فراصوت منتقل شد و دستگاه همزن که درون ظرف واکنش قرار داشت، به کار افتاد. مخلوط تا 120◦C گرم شد و سپس دستگاه فراصوتی روی 800W تنظیم شد و حالت عملکرد فراصوت روی چرخه‌های کاری پالسی با 5 sec. روشن / 2sec. خاموش قرار گرفت. تابش فراصوت به‌مدت 6h اعمال شد و سپس مخلوط واکنش تا دمای اتاق سرد شد. باقی‌مانده جامد چندین بار با آب دیونیزه شسته و در 80◦C تا رسیدن به وزن ثابت خشک شد. نمونه به‌دست‌آمده برای آزمون‌های بعدی و تولید باتری جمع‌آوری شد. ظرفیت شارژ در چرخه نخست 134٫2mAh/g و ظرفیت تخلیه 133٫5mAh/g است. بازده شارژ و تخلیه در نخستین نوبت 99٫5% بود. پس از 40 چرخه، ظرفیت تخلیه همچنان 132٫9mAh/g است. (Zhang et al. 2014)
 

 
لیچینگ فراصوتی با اسیدهای آلی مانند اسید سیتریک، علاوه بر مؤثربودن، با محیط‌زیست نیز سازگار است. پژوهش‌ها نشان داده‌اند که لیچینگ Co و Li با اسید سیتریک کارآمدتر از اسیدهای معدنی H2SO4 و HCl است. بیش از 96% از Co و نزدیک به 100% از Li از باتری‌های لیتیوم‌یون مستعمل بازیابی شد. ارزان‌بودن و زیست‌تخریب‌پذیری اسیدهای آلی مانند اسید سیتریک و اسید استیک، مزایای اقتصادی و زیست‌محیطی فراصوت‌دهی را بیشتر می‌کند.

فراصوت صنعتی پرتوان برای لیچینگ فلزات از باتری‌های مستعمل

Hielscher Ultrasonics تأمین‌کننده باسابقه شما در زمینه سامانه‌های فراصوتی بسیار کارآمد و قابل‌اعتماد است که توان موردنیاز برای لیچینگ فلزات از مواد ضایعاتی را فراهم می‌کنند. برای بازفرآوری باتری‌های لیتیوم‌یون از طریق استخراج فلزاتی مانند کبالت، لیتیوم، نیکل و منگنز، سامانه‌های فراصوتی قدرتمند و مستحکم ضروری هستند. دستگاه‌های صنعتی Hielscher Ultrasonics مانند UIP4000hdT (4kW)، UIP6000hdT (6kW)، UIP10000 (10kW) و UIP16000 (16kW)، قدرتمندترین و مستحکم‌ترین سامانه‌های فراصوت با عملکرد بالا در بازار هستند. همه دستگاه‌های صنعتی ما می‌توانند در کارکرد 24/7، به‌طور پیوسته با دامنه‌های بسیار بالا تا 200µm کار کنند. برای دامنه‌های بالاتر نیز سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی در دسترس هستند. استحکام تجهیزات فراصوتی Hielscher امکان کارکرد 24/7 تحت بار کاری سنگین و در محیط‌های دشوار را فراهم می‌کند. Hielscher همچنین سونوتْرودها و راکتورهای ویژه‌ای برای دماها و فشارهای بالا و مایعات خورنده عرضه می‌کند. این ویژگی‌ها سونیکاتورهای صنعتی ما را به گزینه‌هایی بسیار مناسب برای روش‌های متالورژی استخراجی، مانند تیمارهای هیدرومتالورژیکی، تبدیل می‌کنند.

جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش سونیکاتورهای ما ارائه می‌دهد:

---

---

منابع و مراجع

• 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.